국내 연구진이 본능적 공포 반응을 결정하는 전두엽-편도체 뇌신경회로를 발견했다.

KAIST 생명과학과 한진희 교수와 한국뇌연구원(KBRI) 뇌신경망연구부 박형주 박사 공동 연구팀이 동물의 공포에 대한 선천적인 행동 반응이 발생하게 만드는 뇌신경회로를 발견, 그 원리를 규명했다고 7일 KAIST가 밝혔다.

장진호 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7월 16일자 온라인 판에 게재됐다.

사람과 동물의 공포 반응은 위험한 상황으로부터 살아남을 확률을 높이기 위한 적응적인 생물학적 기능이다. 공포 반응은 위험한 상황을 경험함으로써 체득되는 ‘학습된 반응’과 아무런 경험 없이 처음 마주친 상황에서 나타나는 ‘본능적(선천적) 공포 반응’으로 구분할 수 있다. 생쥐의 경우 살아있는 포식자, 또는 일부 포식자 냄새에 대해 선천적인 공포 반응을 나타내는 것으로 알려져 있다.

전측대상회 피질(ACC, anterior cingulate cortex)은 신체적인 고통에 반응하는 것으로 잘 알려진 뇌 영역으로, 전전두엽 피질 (prefrontal cortex)의 일부에 해당한다.

전전두엽 피질은 가장 고도의 연산 기능을 수행하는 것으로 알려진 뇌 영역이다. 해외의 유수 연구진들이 전전두엽 피질과 그 하위 회로가 학습된 공포 반응을 조절하는 신경회로 원리를 규명한 바 있다. 그러나, 본능적 공포 반응을 조절하는 전전두엽 피질의 회로 원리는 알려지지 않았다.

핵심 실험을 수행한 1저자인 장진호 박사는“교수님이 학습된 공포 반응이 아닌 본능적 공포 반응을 통해 실험을 해보자는 독특한 제안을 하셨다”며“데이터 해석에 어려움을 겪고 있었는데 발상의 전환 이후 놀라운 데이터를 꾸준히 얻을 수 있었다”고 말했다.

ACC 영역의 활성 조절에 의한 본능적 공포 반응 증폭 및 감소.

연구팀은 빛을 이용해 실시간으로 뉴런의 활성을 조절하는 광유전학 기술을 생쥐의 전측대상회 피질에 적용했다. 생쥐들을 포식자인 여우 냄새에 노출시킨 상태에서 전측대상회 피질 영역을 억제, 자극해 반응 변화를 살폈다.

전측대상회 피질 영역의 뉴런을 억제하자 여우 냄새에 대한 동결 공포 반응이 크게 증폭됐다. 반대로 전측대상회 피질 영역을 자극했을 때는 공포 반응이 감소했다. 또한 전측대상회 피질 자극은 트라우마 기억에 대한 학습된 공포 반응도 강하게 억제하는 효과를 보였다.

연구팀은 전측대상회 피질 영역 내에서 편도체로 연결을 맺은 회로망 연구로 일부 뉴런들의 성질을 규명했다. 한 교수는 “두뇌 영역에는 전혀 다른 기능의 뉴런들이 공존하고 있으며 이들은 각기 다른 하위 영역으로 연결을 보내는 경우가 많다”며 “뇌 영역의 기능을 올바로 이해하기 위해 회로망에 따라 뉴런의 종류를 구분해야 하는 이유”라고 설명했다.

전측대상회 피질-배외측 편도체핵 단일 시냅스 흥분성 연결

하위 연결망, 전측대상회 피질과 동일한 선천적 공포 조절 기능 수행

연구팀은 먼저 다양한 신경망 추적(neuronal tracer) 기법을 활용해 전측대상회 피질의 하위 연결망을 탐색했다. 그 중 공포 반응의 출력에 중요한 뇌구조로 잘 알려진 배외측 편도체핵(BLA, basolateral nucleus of amygdala)에서 전측대상회 피질의 주요 연결망을 관찰했다.

ACC-BLA 뇌신경회로 조절에 의한 본능적 공포 반응 증폭 및 감소

한국뇌연구원의 박형주 박사 연구팀은 전기 생리학 방법을 이용해 ACC-BLA 연결망이 단일 시냅스 흥분성 연결로 구성됨을 증명했다.

연구팀은 나아가 ACC-BLA 하위 연결망이 전측대상회 피질과 동일한 선천적 공포 조절 기능을 수행함을 규명했다. 이 하부 회로를 억제시키자 여우 냄새에 대한 공포 반응이 증가됐고, 같은 회로를 자극시키자 공포 반응이 감소했다.

또한 코요테, 들쥐(들쥐는 생쥐를 잡아먹는 포식자이다)를 사용한 보강 실험을 통해 ACC-BLA 회로의 선천적 공포 행동 조절 기능을 명확히 규명했다.

한 교수는 “선천적 위협 자극에 대한 공포 행동반응을 코딩하고 있는 뇌 속 핵심 신경회로를 발견했다는 점에서 매우 중요한 학술적 의미가 있다”며 “향후 전측대상회 피질 신경회로를 표적으로 하는 외상 후 스트레스 장애 치료기술 개발의 근거가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 뇌과학 원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

* 용어 설명

전측대상회 피질(Anterior cingulate cortex)
대뇌 피질의 전전두엽 영역 중 뒤쪽에 위치한 뇌 영역. 통각 수용 (pain perception)과 정서적인 교감(sympathy)의 조절에 관여하는 것으로 알려져 왔다.

배외측 편도체핵(Basolateral nucleus of amygdala)
편도체는 측뇌 피질과 뇌간 사이에 위치한 작은 뇌영역으로, 아몬드를 닮았다 하여 라틴어로 아몬드를 뜻하는 ‘amygdala’라는 이름으로 불리게 되었다. 배외측 편도체핵은 이 구조의 바깥-위 방향 일부분으로, 위험에 대한 학습 및 선천적 공포 반응의 표출을 위해 필수적인 영역으로 알려져 있다.

광유전학(Optogenetics)
할로로돕신(halorhodopsin), 채널로돕신(channelrhodopsin)과 같이 빛에 의해 작동하는 광-반응 단백질을 동물의 뇌세포에 발현한 뒤, 실시간으로 빛을 조사하여 뉴런의 활성을 조절하는 기술이다.

  • 추가설명

연구팀은, 포식자에 대한 생쥐의 공포 반응을 실시간으로 조절하는 연구를 수행하기 위해 할로로돕신(halorhodopsin) 또는 채널로돕신(channelrhodopsin) 단백질을 사용한 광유전학 기술을 접목했다.

할로로돕신을 발현한 뉴런에 녹색 빛을 투사할 경우 실시간으로 뉴런의 활성을 억제할 수 있다. 반대로, 채널로돕신을 발현한 뉴런에 청색 빛을 투사함으로써 뉴런의 활성을 증가시킬 수 있다.

생쥐의 ACC 영역에 할로로돕신 또는 채널로돕신을 발현한 뒤, 빛을 이용한 광유전학 실험을 통해 뉴런을 억제 또는 자극하였다. 이를 통해 ACC 뉴런의 활성화가 포식자 냄새에 대한 본능적 공포 반응의 표출을 조절하고 있다는 사실을 발견했다.

연구팀은 신경망 추적자 기술을 도입, ACC의 하위 두뇌 영역을 탐색하였다. 특히, 공포 반응의 표출 과정에 중요한 것으로 알려진 배외측 편도체핵(BLA, basolateral nucleus of amygdala)에서 ACC로부터의 주요한 신경망 연결이 관찰되었다.

광유전학 실험 기법을 이용해 ACC로부터 BLA로의 신경 회로 (ACC-BLA)를 선택적으로 억제 또는 자극하였다. ACC-BLA 회로의 활성 조절을 통해 포식자 냄새에 대한 본능적 공포 반응을 증폭 또는 감소할 수 있었다. 이는 “전두엽-편도체” 회로를 통한 선천적 공포 반응이 조절되는 원리의 최초 규명을 보여준다.