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생명과학부 강봉균 교수팀, 기억의 상태에 따른 생체 내 시냅스 변화 규명

2023. 2. 20.

[연구필요성]

엔그램 세포의 시냅스는 물리적으로 기억을 저장하며, 이는 엔그램 세포 사이의 시냅스 네트워크가 기억의 형성, 유지 및 소멸을 매개한다는 것을 암시한다. 실제로 해마 내의 CA3 엔그램 세포와 CA1 엔그램 세포 사이의 강화된 시냅스의 연결이 시냅스를 GFP 계열 형광으로 가시화하는 "dual-eGRASP"를 사용하여 관찰되었다.

그러나, 기술적 한계로 인해 지금까지 연구들은 서로 다른 개체에서 한정된 기억상태만을 관찰할 수 있었다. dual-eGRASP의 형광 신호는 마우스를 희생 시킨 후 얻는 뇌 절편에서 관찰되었기 때문에 동일한 개체 내에서 여러 시점을 관찰하는 것이 불가능했다. 이러한 실험 방식은 생체 내에서 다양한 ​​기억 상태에 따른 시냅스들의 변화에 대한 연구에 한계로 작용했다. 이와 같은 문제를 극복하기 위해, 4가지 형광의 생체 내 이광자 이미징과 dual-eGRASP 시스템을 함께 활용하였다.

[연구성과/기대효과]

최초로 이광자 현미경과 dual-eGRASP 기술을 접목함으로써, 우리는 다양한 시점에서의 시냅스 관찰에 대한 가능성을 열었다.

기억의 형성 및 소거에 따라 역동적으로 변화하는 해마의 CA3와 CA1 엔그램 간 시냅스들이 공포 기억의 핵심적인 저장소일 것으로 주장하였다.

이번 연구는 해마에서 형성되는 공포 기억에 한하여 진행되었지만, 이 연구에 적용된 기술을 더욱 활용한다면 감각 피질, 운동 피질 등 다양한 뇌 영역에서 생체 내의 변화를 관찰할 수 있을 것이다.

[본문]

바이러스를 이용해 마우스의 해마에 dual-eGRASP 시스템을 발현시킨 후, 1주일 뒤hippocampal cannula window를 삽입하여 이광자 현미경으로 마우스가 살아있는 상태에서 여러 차례 관찰이 가능하도록 하였다.

기존 연구에서도 해마의 시냅스를 dual-eGRASP를 이용해 관찰한 바가 있으나, 공초점 현미경으로 뇌 절편을 확인했기 때문에 기억이 형성된 이후에만 관찰이 가능하다는 한계가 있었다. 이러한 기존 연구와는 달리 이광자 현미경을 접목시켜, 동일한 개체의 해마에서 동일한 수상돌기와 시냅스를 다양한 시점에 추적해 비교할 수 있었다는 점이 가장 큰 차이점이다. 이러한 기술적 이점을 통해 기억이 형성되거나 소거되는 과정에서 실제로 해마의 엔그램 시냅스들이 어떻게 변화하는지 확인할 수 있었다.

이광자 이미징을 통해 기억 형성 이전과 비교 분석을 진행한 결과, 해마의 CA3, CA1 엔그램 시냅스 특이적으로 약 20%가 공포 기억이 형성되는 과정에서 새롭게 형성된 것으로 나타났다. 반대로 공포 기억의 소거를 유도하였을 때, 이러한 엔그램 시냅스의 약 10%가 사라지는 상관관계가 특이적으로 나타났다. 이에 더하여, 수상돌기 상에서 나타나는 시냅스들의 분포를 관찰하였다. 흥미롭게도, 기존에 존재하던 시냅스들 근처에 새로운 엔그램 시냅스들이 형성되면서, 기억 형성 이후 엔그램 시냅스들은 약 5μm의 평균 간격을 가지는 군집으로 존재하였다.