"뇌 신경세포 운명 바꾼다"…원격 신호가 뇌 발달 새 열쇠

뇌의 원격 신호가 신경세포의 '운명'을 직접 바꾼다는 연구 결과가 나왔다. 시상하부에서 오는 입력이 피질의 성숙을 넘어 신경전구세포가 어떤 세포로 분화할지까지 결정한다는 것이다.

미국 캘리포니아대 로스앤젤레스(UCLA) 아파르나 바두리 연구팀은 3일(현지시간) 국제학술지 사이언스(Science)에 이런 내용의 논문을 발표했다.

인간 대뇌피질의 표층 흥분성 뉴런은 주로 외측 방사형교세포(oRG)라는 특수한 신경전구세포에서 만들어진다. oRG의 증식·분화 능력은 인간 피질 진화의 핵심으로 여겨져 왔다.

연구팀은 인간 줄기세포 유래 피질 오가노이드와 시상 오가노이드를 융합해 초기 신경 지배를 재현했다. 그 결과 시상 입력이 SATB2·CUX1·BRN2 등 표층 뉴런의 생성을 크게 늘렸고, HOPX 양성 oRG의 동적 변화와 신경발생 출력 강화가 함께 나타났다.

시간 분리 실험에서는 초기 시상 입력만으로도 피질 발달 경로가 오래도록 바뀌는 '결정적 시기'가 확인됐다. 계통 추적 결과 시상 신호는 oRG가 자기 복제보다 신경발생 쪽으로 나아가도록 유도했다.

분자적 연결고리도 규명됐다. 시상 뉴런의 뉴렉신1(NRXN1)과 피질 oRG의 뉴로리긴1(NLGN1)이 물리적 접촉을 매개하는 것이다. 초고해상도 이미징으로 인간 임신 중기 피질 외측 뇌실하대에서 두 분자에 기반한 직접 접촉이 확인됐다.

연구팀이 크리스퍼(CRISPR)로 시상 오가노이드의 NRXN1을 제거하자 세포 간 접촉이 줄고 oRG와 표층 뉴런 생성이 감소했다. 반대로 방사형교세포는 늘었고 유전자 프로그램도 신경발생 성숙에서 벗어났다.

이번 연구는 뇌 영역 간 장거리 투사가 단순한 '배선'이 아니라 물리적 접촉으로 신경전구세포의 운명 결정에 직접 관여한다는 점을 처음 보여줬다. 인간 피질 발달에 대한 이해를 '피질 내부 자율'에서 '뇌 영역 간 협력'으로 넓힌 것이다.

다만 연구진은 오가노이드 모델에 혈관과 면역 미세환경이 없고, 융합 시스템과 실제 뇌 속 시상 영향의 정량적 차이는 신중히 봐야 한다고 덧붙였다. 그럼에도 이번 성과는 자폐스펙트럼장애에서 NRXN1 돌연변이의 발병 기전을 연구할 새 플랫폼을 제공할 것으로 기대된다.