신경세포생성 - 신경세포는 항상 새롭게 태어난다


신경세포생성(Neurogenesis)이란 말그대로 신경을 구성하고 있는 가장 기본 세포인 뉴런이 새로 만들어지는 과정을 말한다. 세포생성은 태아의 과정에서는 가장 활동적이지만 태어나서 성인이 되어도 계속되는 것이다.

우리 몸을 구성하고 있는 세포들은 60-100조개 정도 된다고 추장한다. 이들 세포들은 백혈구나 위장세포들처럼 수 시간이나 수 일에서 심장세포처럼 인간 수명과 비슷한 수명을 가지고 있다. 과거에는 뇌의 신경세포(neuron)도 심장세포처럼 인간의 수명과 같은 수명을 가지고 있다고 생각했다. 일반적으로 신경세포는 태아 상태에서 맹렬히 생성되어 성인의 뇌는 거의 1000억개 정도의 뇌신경세포를 갖고 있는 것으로 추정한다. 그리고 태어난 이후에는 새로 만들어지지 않는다고 알려져왔다. 반면에 뇌속에서 신경세포의 활동을 보조하는 교세포는 태어난 이후에도 계속 생성된다. 한번 태어난 뇌신경세포는 죽을 때까지 간다는 것이다. 
              뇌의 신경세포

만일 중간에 질병이나 사고 등에 의해 죽은 뇌신경세포를 대신하는 새로운 뇌신경세포는 만들어지지 않는다고 생각했다. 하지만 최근에 뇌 속에도 줄기세포가 있어 뇌신경세포가 계속 새로 만들어지고 있다는 사실이 밝혀졌다. 뇌 전체에서 그렇지는 않고 특정 부위에서 일어나는 현상이다.

인체내의 다른 세포들과 달리 신경세포는 축색과 수상돌기를 갖고 인근 신경세포들과 시냅스를 형성하며 정보를 전송하면서 인체내의 정보 통신 시스템을 구축하고 있기 때문에 신경세포가 새로 만들어진다면, 이 세포가 어떻게 기존의 신경망에 참여하게 되고, 그 신경망에서 담당하던 일을 어떻게 계속하게 되는지 미지수이다.  이런 관점에서 성인 뇌에서 신경세포의 생성은 충격적인 사실이다.

뉴런의 생성에 대한 최초의 단서는 1962년에 매사추세츠공대(MIT)의 조셉 앨트만(Joseph Altman)에서 비롯되었다. 앨트만은 성장한 쥐의 해마(hippocampus)의 치상회(dentate gyrus) 부위에서 뉴런이 새롭게 생성된다는 사실을 발견하였다. 해마는 기억이나 학습과 관련이 깊은 부위이다. 또한 생성된 뉴런이 뇌의 다른 부위로 이동한다는 사실도 확인하였다.

  생후 21일후 쥐의 치상회에서 발현된 DCX
Doublecortin (DCX) expression in the rat dentate gyrus, 21st postnatal day. Oomen et al., 2009.


1979년에 뉴멕시코대학교의 마이클 카플란(Michael Kaplan)은 앨트만의 실험을 재확인한 다음, 1983년에 성장한 원숭이의 전뇌(forebrain)에서 신경줄기세포(neural precursor cell)를 발견하였다.

1980년대 록펠러대학의 페르난도 노테봄(Fernando Nottebohm)과 연구팀은 카나리아새의 수컷이 번식기에는 노래하는 것이 다양해진다는 것을 발견하고 그 이유를 연구한 결과 전뇌에서 뉴런이 증가한다는 것을 발견하였다. 또한 박새들도 먹이감의 위치를 기억해야 하는 계절에는 해마의 뉴런이 증가하는 것도 발견하였다.

설치류와 조류에서의 뇌신경세포 생성이 발견되면서 인간의 경우에 대한 관심이 높아졌다. 1997년 록펠러대학교의 엘리자베쓰 구드(Elizabeth Gould)와 브루스 맥이원(Bruce S. McEwen) 그리고 독일 게팅겐에 있는 독일영장류센터의 에버하르트 푸흐스(Eberhard Fuchs)는 붉은털원숭이의 해마에서도 뇌신경세포가 생성된다는 사실을 발견하였다. 그리고 1998년 3월에 붉은털원숭이(rhesus monkey)보다 진화적으로 인간에게 더 먼 명주원숭이(marmoset monkey)의 해마에서도 똑같은 현상을 발견하였다.

이처럼 성장한 영장류의 뇌에서도 신경세포가 생성된다는 사실이 밝혀지면서 인간의 경우는 시간 문제일 뿐이었다. 하지만 인간의 경우는 살아있는 사람의 뇌를 해부할 수는 없는 일이었다.

1998년 11월에 스웨텐 고테보르그(Goteborg)에 있는 살그렌스카(Sahlgrenska)대학병원의 피터 에릭슨(Peter S. Eriksson)과 미국 캘리포니아주 라홀라(La Jolla)에 있는 솔크생물학연구소(Salk Institute for Biological Studies)의 프레드 게이지(Fred H. Gage)는 살그렌스카대학병원에서 암환자들의 암세포 증식 정도를 확인하기 위해 BrdU를 사용하는 것을 알았다. BrdU는 분열하는 세포에만 착색되는 물질이다. 그럼 뇌에서 세포 분열이 일어난다면 뇌에서도 착색된 세포들이 있는지만 확인하면 되는 것이다. 그래서 암환자들로부터 임종후 뇌를 임상실험용으로 기증한다는 동의서를 받아, 결국 5명의 암환자의 뇌를 해부할 수 있었다. 분석한 결과 인간의 해마 치상핵에서 그리고 측뇌실에서 BrdU에 착색된 신경세포를 발견하였다. 이것은 인간의 뇌에서도 신경세포가 생성된다는 사실을 의미한다. 무엇보다 이들 암환자들의 연령대가 50대에서 70대에 걸쳐있었기 때문에 신경세포가 태어난 이후 죽을 때까지 새로 태어난다는 것은 중요한 발견이었다.

해마 치상회 과립화영역에서 DNA복제 표시 Brdu (붉은색)
BrdU(red), a marker of DNAreplication, highlights neurogenesis in the subgranularzone
of hippocampal dentategyrus. Fragment of an illustration from Faizetal.,2005.

설치류를 비롯하여 조류, 영장류 그리고 인간의 뇌에서 공통적으로 뉴런의 생성은 뇌의 측뇌실(lateral ventricle)의 뇌실하영역(subventricular zone: SVZ)과 해마(hippocampus) 치상회(dentate gyrus)의 일부분인 과립하영역(subgranular zone:SGZ) 두 영역에서 주로 이루어지고 있다. SVZ는 태아때 뉴런이 생성되는 곳이기도 하다. SVZ에서 생성된 신경줄기세포는 rostral migration stream을 통해 후각구(olfactory bulb)로 이동하여 뉴런으로 분화되는 것으로 밝혀졌다. SGV는 기억과 관련된 부분으로 세포활동이 특히 활발한 부위이다. 최근의 연구 결과를 보면 이 두 부위 외에도 전두엽의 연합령이나 운동피질 등 여러 부위에서도 뉴런이 새롭게 만들어진다는 것이 발견되고 있다.


뇌신경세포생성 
- 윗쪽 : (1) 왼편 : 후각구 (OB : olfactory bulb)   (2) 가운데 : 측뇌실의 뇌실하영역 (SVZ)  
            (3) 오른편 : 해마 (hippocampus) 치상회 (DG)의 과립화영역 (SGZ)  
- 아랫쪽 : SVZ 과 DG 에서 생성된 뇌신경세포가 RMS 를 통하여 OB 로 이동후에 뉴런으로 분화된다.


       
 해마 치상회에서 신경세포생성                  Granule cell 의 성숙

이렇게 새로 생성된 뉴런들중 많은 수는 생성된 후 바로 죽지만 어느 정도는 주변의 뉴런들과 신경망을 이루면서 생존하게 된다. 뉴런은 뇌의 안쪽에서 바깥쪽으로 퍼져있는 일명 radial glia라는 세포의 긴섬유질을 따라 목적지로 이동하며 또 다른 방법은 adhesion molecules라는 신생뉴런 표면에 있는 분자가 주변의 성상세포(glia cell)나 뉴런의 축삭(axon)에 있는 분자와 결합하여 화학적 신호를 통해 목적지까지 이동한다.

그럼 새로 생성되는 뉴런들이 보다 많이 뇌속에서 자리를 잡을 수 있다면 우리의 뇌는 항상 젊은 신경세포들로 교체되어 젊음과 건강을 유지할 수 있을 것이다. 어떻게 하면 그렇게 할 수 있는가가 가장 뜨거운 이슈중 하나이다. 게이지는 쥐들을 두 집단으로 분리하여 단조로운 환경과 자극이 많은 환경에서 생활하게 했다. 그 결과 자극이 많은 환경에서 생활한 쥐는 불과 4, 5일 밖에 지나지 않았지만 신경세포의 수가 15%나 증가하였다. 다양한 자극이 주어지는 환경이 신경세포를 증식시킨 것이다. 따라서 단조로운 생활보다 바쁘게 활동적인 생활이 신경세포를 증식시키고 뇌를 건강하게 한다는 것이다.

또한 수면부족이 신경세포의 생성을 억제한다는 최근 연구 결과도 있다. 그리고 스트레스도 역시 신경세포의 생성을 억제한다. 적당한 알코올이 신경세포의 생성을 촉진한다는 연구 결과도 있다. 그리고 운동이 신경세포의 생성을 촉진한다는 연구 결과도 발표되었다. 최근에는 이러한 신경세포 생성을 이용하여 치매나 파킨슨병, 간질, 무도병 등과 같은 뇌 질환을 치료하는 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 줄기세포를 해당 부위에 이식하여 신경세포를 증식시켜 파괴된 신경세포를 대체시킴으로써 질병을 치료하는 방법도 연구되고 있다.

무엇보다 중요한 것은 뇌를 끊임없이 사용해야 한다는 것이다. 우리는 흔히 나이가 들면 단조롭고 편안한 생활을 선호하고 복잡하고 창의적인 활동을 피하려고 한다. 이것은 결국 신경세포의 생성을 방해하여 새로운 세포들이 뇌를 새롭게 하는 기회를 스스로 놓쳐 노화를 촉진하는 결과를 초래한다. 우리 뇌를 나이 들어서도 건강하게 유지하기 위해서는 끊임없이 뇌가 학습할 수 있도록 독서나 창의적 활동, 취미 생활, 활발한 사회 활동 등을 해야 하며, 규칙적으로 운동을 하고 적절한 영양섭취가 이루어져야 한다. 약물에 의존하는 것은 바람직하지 않으며 뇌 스스로 자신을 새롭게 변화시켜 나가는 특성을 살려나가는 것이 최상의 방법이다.