인간 치료에 중요한 벌레의 움직임을 제어하는 주요 뉴런 발견

시나이 헬스와 토론토 대학의 연구자들은 작은 선충인 C. elegans의 신경계에서 인간 질병 치료와 로봇 공학 개발에 큰 영향을 미칠 수 있는 메커니즘을 발견했습니다.

루넨펠트-타넨바움 연구소의 메이 젠과 동료들이 이끈 이 연구는 Science Advances 저널 에 게재되었으며, AVA라는 특정 뉴런이 벌레의 앞뒤 움직임을 전환하는 능력을 제어하는 핵심 역할을 한다는 사실을 밝혔습니다.

지렁이는 먹이를 향해 기어가고 위험으로부터는 재빨리 도망치는 것이 필수적입니다. 이 두 가지 행동이 상호 배타적인 이러한 행동은, 앉는 것과 뛰는 것을 동시에 할 수 없는 인간을 포함한 많은 동물들에게서 흔히 볼 수 있는 특징입니다.

과학자들은 오랫동안 선충의 운동 제어가 AVA와 AVB라는 두 뉴런의 단순한 상호작용을 통해 이루어진다고 믿어 왔습니다. 전자는 후진 운동을 촉진하고 후자는 전진 운동을 촉진하며, 서로가 운동 방향 제어를 방해하는 것으로 여겨졌습니다.

그러나 젠(Zhen) 연구팀의 새로운 데이터는 이러한 관점에 이의를 제기하며, AVA 뉴런이 이중 역할을 하는 더욱 복잡한 상호작용을 보여줍니다. AVA 뉴런은 AVB를 억제하여 전방 운동을 즉시 중단할 뿐만 아니라, AVB의 장기적인 자극을 유지하여 전방 운동으로의 원활한 전환을 보장합니다.

이번 발견은 AVA 뉴런이 다양한 신호와 시간 척도에 따라 다양한 메커니즘을 통해 움직임을 정밀하게 제어할 수 있는 능력을 보여준다.

토론토 대학교 테머티 의과대학 분자유전학 교수인 정은 "공학적 관점에서 볼 때 이는 매우 경제적인 설계입니다."라고 말합니다. "피드백 루프의 강력하고 지속적인 억제는 동물이 불리한 조건에 대응하고 탈출할 수 있도록 합니다. 동시에 제어 뉴런은 안전한 위치로 이동하기 위해 전방 루프에 일정한 가스를 계속 공급합니다."

정 연구실의 전 박사과정 학생이자 이 연구를 이끈 준 멍은 동물이 서로 상반되는 운동 상태 사이를 어떻게 전환하는지 이해하는 것이 동물의 움직임을 이해하는 데 중요할 뿐만 아니라 신경 질환 연구에도 중요하다고 말했습니다.

AVA 뉴런의 지배적인 역할에 대한 발견은 과학자들이 반세기 전 현대 유전학의 도래 이후 연구해 온 신경 회로에 대한 새로운 통찰을 제공합니다. 정 박사의 연구실은 최첨단 기술을 사용하여 개별 뉴런의 활동을 정밀하게 조절하고 살아있는 벌레의 움직이는 데이터를 기록하는 데 성공했습니다.

토론토 대학교 인문과학부 세포 및 시스템 생물학 교수이기도 한 젠은 이 연구에서 학제 간 협력의 중요성을 강조합니다. 멩은 주요 실험을 수행했으며, 중국 화중과학기술대학교 상방 가오 연구실의 박사과정생인 빈 유가 뉴런의 전기적 기록을 수행했습니다.

정 연구실의 전 박사후 연구원이자 현재 미국 HHMI의 Janelia 연구 캠퍼스에서 이론 펠로우로 근무하고 있는 토시프 아메드는 가설을 검증하고 새로운 통찰력을 얻는 데 중요한 수학적 모델링을 주도했습니다.

AVA와 AVB는 막전위 범위와 역학이 서로 다릅니다. 출처: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk0002

이 연구 결과는 뉴런이 운동 제어에서 다양한 역할을 어떻게 관리하는지 연구하기 위한 단순화된 모델을 제공합니다. 이 개념은 인간의 신경학적 상태에도 적용될 수 있습니다.

예를 들어, AVA의 이중적 역할은 표면의 이온 채널에 의해 조절되는 전기적 전위에 달려 있습니다. Zheng은 이미 유사한 이온 채널의 돌연변이로 인해 발생하는 CLIFAHDD 증후군이라는 희귀 질환에서 유사한 메커니즘이 어떻게 작용하는지 연구하고 있습니다. 이 새로운 발견은 복잡한 동작을 수행할 수 있는 더욱 적응적이고 효율적인 로봇 시스템 설계에도 도움이 될 수 있습니다.

"현대 과학의 기원부터 오늘날의 최첨단 연구에 이르기까지, 예쁜꼬마선충과 같은 모델 생물은 우리 생물 시스템의 복잡성을 밝히는 데 중요한 역할을 해왔습니다."라고 루넨펠트-타넨바움 연구소 소장이자 시나이 헬스 연구 부사장인 안 클로드 진그라스는 말했습니다. "이 연구는 우리가 단순한 동물로부터 배우고 그 지식을 의학과 기술 발전에 적용할 수 있는 방법을 보여주는 훌륭한 사례입니다."