뉴런을 위한 Wi-Fi 벌레에서 공개된 최초의 무선 신경 신호 지도

연구에 따르면 시냅스를 가로지르는 것이 아니라 장거리에 걸쳐 통신하는 조밀하게 연결된 뉴런 네트워크가 발견되었습니다.

Wi-Fi for neurons: first map of wireless nerve signals unveiled in worms

Studies find a densely connected network of neurons that communicate over long distances, rather than across synapses.

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03619-w

신경계가 시냅스(세포가 끝에서 끝까지 연결되는 지점)를 통해서만 한 신경 세포에서 다른 신경 세포로 메시지를 전달한다는 생각이 바뀌고 있습니다. 두 연구에서는 예쁜꼬마선충( Caenorhabditis elegans)의 ‘무선’ 신경 네트워크를 통해 어떻게 메시지가 더 먼 거리에 걸쳐 세포 간에 전달될 수 있는지 보여줍니다.

연구자들은 신경펩티드라고 불리는 분자가 한 뉴런에 의해 방출되고 멀리 떨어진 다른 뉴런에 의해 차단될 때 발생하는 이 무선 통신의 범위를 인식하지 못했습니다. Nature 1 과 Neuron 2 에 발표된 새로운 연구는 처음으로 모델 유기체에서 신경펩티드 통신의 전체 네트워크를 계획합니다. 이번 연구에는 참여하지 않았지만 독일 하이델베르그 대학의 신경과학자인 Gáspár Jékely는 “우리는 이러한 화학적 연결이 존재한다는 것을 알고 있었지만 이는 아마도 전체 신경계에 대한 가장 포괄적인 연구일 것입니다.”라고 말했습니다. 그리고 연구 결과에 따르면 “시냅스에 관한 것이 전부는 아니다”라고 그는 덧붙였습니다.

지도 제작자

연구자들은 이전에 초파리( Drosophila melanogaster )와 C. elegans 의 모든 뉴런이 시냅스로 연결되어 있음을 보여주는 해부학적 연결 지도(커넥텀)를 작성했습니다. 그러나 영국 케임브리지에 있는 MRC 분자생물학 연구소의 신경과학자인 윌리엄 셰이퍼(William Schafer)는 신경계 메시지 전달의 단지 도우미로 간주되었던 신경펩티드의 역할에 대해 궁금해했습니다. “내가 처음 이것에 대해 이야기하기 시작했을 때 어떤 사람들은 신경펩타이드가 한 뉴런에서 다음 뉴런으로 무작위로 떠다니는 ‘이게 모두 일종의 수프에 불과한가’라고 궁금해했습니다.”라고 그는 말합니다.

그와 그의 동료들은 C. elegans 신경계의 어떤 뉴런이 특정 신경펩티드에 대한 유전자를 발현하는지, 어떤 뉴런이 그러한 신경펩티드의 수용체에 대한 유전자를 발현하는지 분석했습니다. 이 데이터를 사용하여 팀은 어떤 신경 세포 쌍이 무선으로 통신하는지 예측했습니다. 이러한 결과를 바탕으로 연구원들은 웜의 잠재적인 무선 연결 지도를 생성하여 C. elegans 의 해부학적 배선 다이어그램과 매우 다르게 보이는 조밀한 연결을 발견했습니다. 그들은 지난주 Neuron 2 에 연구 결과를 발표했습니다.

뉴저지 프린스턴 대학교의 신경과학자인 Andrew Leifer가 이끄는 팀은 독립적으로 신경 활동을 측정하여 C. elegans를 통해 신호가 어떻게 이동하는지 연구했으며, 이는 이 무선 네트워크의 기여를 보여주었습니다. 연구팀은 빛과 빛에 민감한 단백질을 사용하여 신경 세포를 작동시켜 전기적 ‘메시지’를 보내는 기술인 광유전학을 활용했습니다. 연구자들은 C. elegans 의 302개 뉴런을 하나씩 활성화한 다음 신호가 한 뉴런에서 다음 뉴런으로 전파되는 방식을 이미지화했습니다.

그들이 만든 활동 지도는 표준 커넥톰만을 토대로 C. elegans 에 대해 예측했던 것과 일치하지 않았으며, 그들은 신경펩티드 통신이 누락된 부분이라고 의심했습니다. 그래서 그들은 이러한 유형의 신호 전달에 중요한 단백질이 부족한 유전자 조작 벌레를 생산했으며, 광유전학으로 벌레의 세포를 활성화하려고 시도했을 때 많은 벌레가 침묵을 유지하는 것을 확인했습니다. 이는 웜의 무선 통신이 뉴런을 직접 활성화한다는 것을 의미합니다.

연구원들이 C. elegans 의 신경 활동을 설명하기 위한 모델을 개발했을 때 유선, 시냅스 연결 및 무선 신호를 모두 통합한 모델이 시냅스 연결만 사용한 것보다 벌레에서 신호가 이동하는 방식을 더 잘 예측한다는 사실을 발견했습니다. 연구팀은 이달 초 Nature 1 에 결과를 발표했으며 11월 14일 워싱턴 DC에서 열린 신경과학 협회 회의에서 발표했습니다.

완전히 새로운 시각

프린스턴에 있는 동안 이 연구를 수행한 네이처 논문의 제1저자 프란체스코 랜디(Francesco Randi)는 “얼마나 많은 [신경펩티드] 통신이 실제로 뉴런의 직접적인 활성화로 이어질 수 있는지를 보는 것은 놀라운 일이었습니다.”라고 말했습니다.

“신경펩티드 네트워크는 시냅스 신호 전달을 돕는 역할을 하는 것으로 생각되었습니다”라고 벨기에 루벤 가톨릭 대학교의 신경과학자이자 Neuron 연구의 저자인 이사벨 비트(Isabel Beets)는 말했습니다 . “그러나 이 신호 지도의 광범위한 규모는 그것이 시냅스 신호 네트워크보다 똑같이 중요하고 복잡하며 어쩌면 훨씬 더 다양하다는 것을 실제로 보여줍니다.“

인기 있는 체중 감량 치료제 세마글루타이드(Wegovy)와 같은 약물은 신체의 신경펩티드 수용체를 활성화할 수 있으므로 이 무선 네트워크를 이해하는 것이 중요하다고 Schafer는 말합니다. Schafer와 그의 동료들의 다음 단계는 신경펩티드 네트워크가 ‘유선’ 시냅스 네트워크와 결합하여 유기체의 행동에 어떻게 기여하는지 이해하는 것을 목표로 다른 유기체에서 유사한 연구를 수행하는 것입니다. 지난 주 Science 3 에 발표된 기술은 연구자들이 신경펩티드가 수용체에 결합하는 위치를 시각화할 수 있게 해 이 탐구에 도움이 될 수 있습니다. 신경펩타이드는 종 전체에 걸쳐 보존되기 때문에 일부 연구자들은 이 네트워크가 인간을 포함한 다른 유기체의 네트워크와 유사하게 보일 수 있다고 의심합니다.

“두 논문은 많은 분자 및 유전적 도구를 갖춘 단순하고 잘 연구된 유기체를 활용하여 모든 동물에 적용될 것이라고 100% 확신하는 교훈을 배우는 아름다운 예입니다.”라고 신경과학자 스티븐 스미스(Stephen Smith)는 말합니다. 워싱턴 주 시애틀에 있는 Allen Institute에서.

연구자들은 이번 발견이 다른 사람들이 신경 역학이 어떻게 발생하는지에 대해 다르게 생각하도록 자극할 수 있기를 바라고 있습니다. Jékely는 “신경계를 시냅스에만 국한시키는 관점에서 벗어나야 한다고 생각합니다.”라고 말했습니다. “그건 효과가 없을 것 같아요.“