배경지식

동물이 자연환경에서 천적을 만나면, 빠르게 도망(avoidance)을 갑니다. 반면, 좋아하는 맛있는 음식을 발견하면 자연스레 이끌리는 (approach) 선척적인 행동 양상을 보이게 됩니다. 도망을 가거나 이끌리는 본능적인 행동은 주어진 특정 자극을 부정적 혹은 긍정적으로, 감정적인 판단 (negative and positive valence) 하는 두뇌에 의해 결정됩니다. 시상하부-뇌하수체-부신 축 (Hypothalamus-Pituitary-Adrenal Axis) 은 심리적 혹은 물리적인 스트레스에 대한 우리 몸의 생리학적 반응을 조절합니다. 시상하부 영역의 부신피질 자극 호르몬 방출인자 (Corticotropin Releasing Factor, 이하 CRF)를 방출하는 세포는, 다양한 스트레스에 의해 자극되어 혈액의 코티졸 인자를 증가시키는 연쇄반응을 유도하고 동물의 생리학적, 신진대사의 상태를 유지하는 신경내분비조절의 중추로, 흔히 스트레스 알려져 있었습니다. CRF 세포의 활성도가 스트레스성 자극, 특히 좋은 자극에 ‘행동을 보이는 초 단위’로 어떻게 반응하는지는 알려진 바가 없었습니다. 그리고, 최근 시상하부의 CRF 세포의 기능적 다양성이 제시되면서, 새로운 기술들로 이 세포에 대한 연구를 진행하고자 하였습니다. 

질문

동물은 환경에서 주어지는 다양한 자극에 대한 선천적인 행동 반응을 보입니다. 어떻게 두뇌는 주어진 자극을 감지하는 것을 넘어 ‘호불호’(positive & negative valence) 를 판별을 할 수 있는가? 쉽게 말해, “우리는 어떻게 천적을 만나면 도망을 가고, 맛있는 음식을 보면 이끌리게 될까?”라는 아주 단순하지만 근본적인 질문에서 시작하였습니다.

발견

뉴욕대 Dayu Lin 교수님과 공동연구로, 행동하는 쥐 두뇌의 시상하부 영역의 CRF 세포의 활성도를 실시간으로 측정하는 기술 중 파이버포토메트리 (이하 fiberphotometry)를 도입하였습니다. 감정적으로 부정적, 긍정적 판단을 유도하는 다양한 감각자극에 노출시켜 쥐가 도망가거나 이끌리는 행동을 보일 때, 이 세포의 반응성에 집중하였습니다. 그 결과, 생쥐를 물에 빠뜨리는 스트레스, 하늘에서 날아오는 새를 모방한 시각적 자극, 천적의 오줌 냄새 등 위협적인 외부 자극의 신호에 의해 쥐가 도망가는 행동을 보일 때, 또한, CRF 세포가 빠르게 활성화되었습니다. 반면, 긍정적 판단을 유도하는 맛있는 음식, 암컷 쥐가 새끼 쥐에 노출되어 이끌리는 행동을 보일 때 CRF 세포의 활성도가 반대로 억제되는 양방향성의 특징을 최초로 규명하였습니다. (그림1)

  카이스트 생명과학대학 김대수 교수 연구팀과의 협력연구를 통해 빛을 이용하여 특정 세포의 활성도를 조절할 수 있는 광유전학을 적용하였습니다. 특정한 환경과 CRF 세포를 인위적으로 활성화시켜 이 환경을 싫어하도록, 인위적으로 억제시키는 것과 조건화된 환경을 좋아하게 학습시킬 수 있음을 보였습니다. 이 결과는 CRF 세포의 활성도가 자극원의 좋고 싫음의 판단에 중요한 역할을 할 수 있음을 제시합니다. (그림2)

후속

본 연구는, CRF 세포가 외부 환경에서 오는 다양한 자극에 대해 보인 반응, ‘exteroception’ 에 대한 역할을 규명하는 일이었습니다. 본 연구의 후속으로 풀고 있는 질문은, ‘CRF 세포가 우리 몸 안에서 오는 내부자극에 대한 정보에 기능을 할 수 있을까?’입니다. 더 세부적으로, 단순히 냄새와 맛이 아닌, 음식이 가지는 양분의 정보를 소화기관으로부터 시상하부의 CRF 세포로 전달할 수 있는지, ‘interoception’ - 신체의 내부 상태에 대한 감각과 정보 판단에 대한 역할을 규명하기 위하여, 장-뇌-축 회로로 시야를 확장하고, 다양한 공동연구자들과 후속 연구를 진행하고 있습니다.

소감

본 연구는 ‘생명과학기술대학 석,박사 모험연구’ 사업의 지원과 격려 덕분에 추진할 수 있었습니다. 그리고, 뉴욕대 Dayu Lin 교수님, 김대수 교수님, 손종우 교수님을 비롯하여 다른 연구실들 덕분에, 실험실에 필요한 장비, 기법들을 셋팅하는 처음부터 많은 도움을 받으며 연구를 마무리 지을 수 있었습니다. 논문준비 과정에 도움을 주신 많은 분들과, 학생들이 풀고 싶은 질문에 대하여 연구의 자율성과 새로운 방향에 열린 마음으로 다양한 공동연구자들과 협력할 수 있는 기회를 열어주신 지도교수님께 감사드립니다.

기타

대학원 과정에서 배울 덕목이 참 많았습니다. 새로운 것에 기꺼이 도전해보겠다는 의지도 중요했지만, 논문의 결실을 맺으면서는 ‘끝까지 책임을 져야한다’는 책임감에, 생각했던 것 보다 더 고된 시간과 훨씬 더 많은 인내가 필요함을 배웠던 것 같습니다. 그럼에도 불구하고, ‘정해지지 않은 어려운 길’ 에 도전하는 일의 가치는 분명합니다. 같은 길에서 밤낮을 지새우며 참 많은 인고의 시간을 보내고 있을 모든 선, 후배 동료들이 보람과 즐거움을 잃지 않고, 끝까지 나아가셨으면 좋겠습니다.

□ 그림 설명

그림 1. 시상하부 CRF 세포의 양방향성의 활성도와 인비보 칼슘이미징모식도 (위)

시각적 위협, 공격성이 있는 쥐로부터의 위협 (나쁜 자극)과 음식, 새끼쥐 (좋은 자극)에 이의한 시상하부 CRF 세포의 활성화 혹은 억제에 대한 예시. (아래)