기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 시냅스 뇌질환 연구단 김은준 단장 연구팀이 동물 실험을 통해 자폐 환자의 사회성이 떨어지는 매커니즘을 규명했다. 자폐로 인한 사회성 저하 이해 및 치료에 크게 기여할 것으로 기대된다. 

자폐증(자폐 스펙트럼 장애, Autism spectrum disorders)은 뇌 발달장애의 한 종류로서, 세계 인구의 약 2%가 앓고 있다. 사회성 및 인지능력 저하가 주요 증상으로 꼽히지만 정확한 메커니즘은 알려지지 않았다.  

시냅스 뇌질환 연구단은 이전 연구에서 시냅스의 생성 및 기능에 중요한 ‘Shank2 단백질’ 결손 시 시냅스 및 뉴런 작동에 중요한 ‘NMDA 수용체’의 기능 저하로 자폐가 유발됨을 규명했다. 이번 연구에서는 시냅스 수준의 문제가 사회성 및 인지능력 저하로 이어지는 원리를 밝혔다. 

▲ Shank2 결손 생쥐의 사회성 저하 및 광유전학 자극을 통한 회복 모식도 (사진출처=기초과학연구원)

 

연구진은 뇌 변화와 행동 및 인지기능의 연결고리를 찾고자 Shank2 결손 자폐 생쥐를 움직이는 물체, 다른 생쥐 등 다양한 대상들과 접촉시켜 주로 인지, 판단, 감정, 사고 능력과 관련되어 있는 내측 전전두엽 뉴런들의 활동을 관찰했다.   

관찰 결과, 정상 쥐의 뉴런은 대상에 따라 각기 다른 반응패턴을 보였으나, 자폐 생쥐는 접촉 대상을 구분하지 못하며 비슷한 신경 패턴을 보였다. 사회성은 상호작용 대상을 인지하는 것이 필수적인데 Shank2가 결손 되면 사회성이 떨어진다는 의미다. 

▲ Shank2 결손 생쥐 뇌에서 억제성 뉴런의 다발성 발화가 감소되어 있음 (사진출처=기초과학연구원)

또한, 자폐 생쥐의 뇌에서는 억제성 뉴런 중 사회성 및 인지능력과 관련된 Pv(Parvalbumin) 뉴런의 NMDA 수용체 기능이 약화되어 있었다. 이는 한 번에 여러 전기신호를 생성하는 다발성 발화(burst firing)감소로 이어져 뉴런 간 상호작용을 저해했다.   

요컨대 Shank2 결손 시 Pv 뉴런의 NMDA 수용체에 이상이 생겨 다발성 발화가 감소함으로써 사회성 및 인지능력이 저하되는 것이다.  

나아가 뉴런 간 직접적 연결통로인 ‘전기적 시냅스(electrical synapse)’가 Pv 뉴런에서 과도하게 강화됐음을 발견했다. 특정 Pv 뉴런에 빛 자극(optogenetic stimulation)을 주면 전기적 시냅스를 통해 주변 Pv 뉴런들까지 다발성 발화가 일어나 사회성과 인지능력이 회복된 것이다.  

▲ Shank2 결손 생쥐 뇌의 내측 전전두엽 Pv 뉴런을 자극해 사회성을 회복시킴 (사진출처=기초과학연구원)

이처럼 자폐 모델에서 다발성 발화 감소와 전기적 시냅스 강화를 발견한 것은 이번이 최초다. 자폐로 인한 사회성 저하의 근본 원인과 회복 전략을 제시하여 치료법 개발에 실마리가 될 것으로 기대된다.  

▲ IBS 시냅스 뇌질환 연구단 단장 김은준 (사진출처=기초과학연구원)

 

김은준 단장은 “자폐의 주요증상인 사회성 저하의 구체적 메커니즘을 밝힘은 물론, 사회성 개선까지 성공했다.”며 “자폐를 한층 깊이 이해하여 새로운 치료 방향성을 제시할 것이다.”라고 전했다.  

연구결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.919) 온라인판에 2021년 8월 25일 18시(한국시간)에 게재되었다. 

글. 김효정 기자 needhj@naver.com | 사진 및 자료출처 = 기초과학연구원(IBS)