하반기 아이폰5 등 최신 스마트폰 출시가 점쳐지면서 벌써부터 스마트폰 유저들의 마음은 설레고 있다. 봇물처럼 출시되는 스마트폰 중 어떤 스마트폰을 선택할지는 개인의 취향이지만 빼놓을 수 없는 잣대 중의 하나가 바로 처리속도이다. 이왕이면 속도도 빨랐으면 하는 게 유저들의 공통된 마음이기 때문이다.
빠른 처리속도를 탑재한 스마트폰을 소지하면 정말 스마트해지는 것일까. 스마트해지기 위한 필요조건 중 하나는 스마트폰의 빠른 속도만큼이나 이를 인지하는 우리 뇌의 처리속도이다. 스마트폰의 처리속도가 CPU의 성능에 의존한다면 뇌의 처리속도는 신경세포 간 신경신호의 전달속도에 의지한다.
그렇다면 신경신호의 전달 속도란 무엇이며 어떤 기작으로 일어나는 것일까. 최근 미국 웨일 코넬 의대 연구팀은 신경신호의 속도에 대한 흥미로운 연구결과를 발표했다. 신경신호는 뇌의 신경세포 사이의 공간인 시냅스에서 신호전달물질을 통해 전달된다. 신호전달물질은 도파민, 세로토닌, 노르아드레날린과 같은 화학물질로 이들 신호전달물질의 잘못된 신호전달은 파킨슨병, 치매와 같은 신경질환을 야기한다.


신경신호 속도, 시냅스 운반체 재활용에 의존




연구팀에 따르면 신경신호의 전달속도는 시냅스의 작은 운반체의 재활용 속도에 의존한다. 시냅스의 작은 운반체는 시냅스에서 신호전달물질을 운반하는 거품 같은 형태의 작은 기포이다. 개별 신경세포는 신호전달물질을 분비하기에 앞서 신호전달물질을 저장하는 시냅스의 작은 운반체를 재활용하는 방법으로 속도를 조절한다. 시냅스의 작은 운반체의 공급에 한계가 있기 때문에 이 운반체의 재활용이 신경전달물질의 전달에 중요한 역할을 한다.
라이언 박사는 “시냅스 운반체의 재활용에 실패하는 것은 운반체의 소모를 보다 빠르게 진행시킨다”며 “적절한 신호전달물질의 기능은 시냅스 운반체의 지속적인 활용 가능성에 달려있다”고 말했다.
연구팀은 개별 신경세포가 시냅스의 작은 운반체의 재활용을 통해 신경신호의 속도를 조절한다는 점을 과학저널 ‘네이처신경과학(Nature Neuroscience)’ 최신호에 보고했다. 웨일 코넬 의대 라이언 박사는 “어느 누구도 신경세포가 강력한 가속 페달의 역할을 할 것이라고는 예상하지 못했다”고 지적했다.
라이언 박사는 네이처신경과학 논문에 이어 과학저널 ‘뉴런(Neuron)’을 통해 작은 운반체 형성에 핵심역할을 담당하는 단백질의 기작에 대한 연구결과를 보고했다.
두 편의 연구는 모두 시냅스 운반체를 주요 연구대상으로 했다. 시냅스 운반체는 거품과 같은 구조를 띠고 있으며 신호전달물질을 저장한다. 신경세포 사이에서 신경전달물질이 신경신호를 전달하기 위해서는 시냅스 운반체가 시냅스의 신경세포 표면에 형성돼야 한다.
이 시냅스 운반체는 공급이 제한되기 때문에 반드시 재활용 돼서 신경전달물질을 다시 저장해야 한다. 쉽게 말해 신경신호를 전달하는 신경세포의 말단 시냅스에서 시냅스 운반체가 신경전달물질을 저장한 뒤 이 운반체가 신호전달물질을 인근의 신경세포로 전달하는 과정이 신경세포 간 신호전달 프로세스인 셈이다.


개별 신경세포, 자신만의 재활용 속도 가져



‘네이처신경과학’ 논문에서 연구팀은 시냅스 운반체 재활용의 속도를 무엇이 조절하는지에 집중했다. 운반체의 활용 가능성을 의미하는 이 속도는 오랫동안 신경세포가 얼마나 빠르게 지속적으로 소통하는지에 대한 걸림돌의 하나로 간주됐다.
이 회복 과정의 속도를 측정하기 위해 연구팀은 84개의 서로 다른 신경세포 사이에서 운반체의 속도를 광학적으로 측정했다. 연구팀은 다소 예상치 못한 데이터를 얻었다. 개별 신경세포들은 거의 같은 속도로 자신만의 시냅스 운반체를 재생했다. 라이언 박사는 “이는 마치 신경세포가 세포 가속페달의 지시에 따르는 것처럼 보였다”고 말했다.
연구팀은 또한 각각의 신경세포들이 운반체를 재생하는데 그 자신만의 속도를 가지고 있다는 점을 발견했다. 신경세포에 따라 크게는 4배까지 속도의 차이가 났다. 흥미로운 것은 신경세포들이 똑같은 신호전달물질을 분비해도 저마다 다른 속도를 보였다는 점이다.
라이언 박사는 “우리가 서로 다른 신경세포들을 비교했을 때 각각의 세포들은 시냅스에 자신만의 속도로 진행하라고 말하는 것을 발견할 수 있었다”고 말했다. 그는 “만약 이 속도가 시냅스의 이상으로 인한 병리현상의 치료에 중요한 것이라면 남아있는 의문은 이 가속 페달의 속성이다”라고 덧붙였다.


다이나민 이론과 시냅스 운반체 재활용



‘뉴런’ 논문은 시냅스 운반체의 재활용 과정의 한 단계에 관여하는 단백질에 초점을 모았다. 1980년 연구를 기반으로 ‘다이나민(dynamin)’이라고 불리는 단백질이 시냅스 운반체의 형성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려졌다. 다이나민 단백질은 신경세포의 세포막에서 운반체가 분리되는 단계에 핵심역할을 담당한다. 이 단계를 세포막 분열이라고 부른다. 다이나민 단백질은 1,2,3의 3가지 형태로 구성됐다.
2007년 ‘사이언스 논문’에서 예일대 연구팀은 다아나민1 단백질이 시냅스 운반체의 세포막 분열에 어떤 역할을 하는지를 연구했다. 다이나민1 단백질은 뇌에 존재하는 전체 다이나민 단배질의 90%를 차지한다.
연구팀은 생쥐를 모델로 다이나민1 단백질이 결핍되도록 조작했다. 실험결과 다이나민1이 없는 생쥐들은 세포막 분열 과정에 있어 아주 작은 차이만을 보이는 것으로 나타났다. 이번 ‘뉴런’ 논문에서 연구팀은 다이나민1과 다이나민3 단백질이 모두 결핍되도록 조작하여 관찰했다. 다이나민1과 다이나민3는 전체 다이나민 단백질의 99%를 구성한다. 연구팀은 네이처신경과학 논문에서와 동일한 방법으로 시냅스 운반체의 재생 과정 속도를 측정했다.
라이언 박사는 “다이나민1이나 다이나민3를 갖고 있지 않을 경우 재생 속도가 심각하게 회손 됐다는 점이 증명됐다. 이는 다이나민3가 세포막 분열에 중요한 역할을 한다는 점을 의미한다”고 말했다.
그는 “하지만 놀랍게도 회복 과정은 여전히 진행됐으며 이 과정에 다이나민2가 관여하고 있는지는 아직 규명되지 않았다”고 덧붙였다. 다이나민2 단백질은 전체 다이나민 단백질 가운데 매우 작은 비중을 차지하기 때문에 다이나민 이외에 또 다른 단백질이 운반체 재생과정에 관여하고 있을 것으로 연구팀은 추측했다.
실험을 주도한 예일대 세포생물학 피에트로 드 카밀리 교수는 “실험결과 다이나민1,3 단백질을 제거했을 때 매우 손상되기는 했지만 여전히 재생과정이 발생한다는 점은 신경세포 말단의 예상치 못한 놀라운 가소성(plasticity)을 의미한다”고 말했다.