- 뇌인지과학과 김대수 교수, KIST 김정진 박사와 공동연구로 새로운 뇌 각성 신경회로 규명

- 잠을 자는 동안에도 동물이 위험을 감지하기 위해 불침번을 서는 뇌신경회로를 발견해 인간의 수면장애 및 의식장애에 대한 이해를 증진할 것으로 기대

- 감각자극을 통해 각성을 조절할 수 있는 길을 밝혀 디지털 헬스케어 분야에도 적용 기대

▲ KAIST 뇌인지과학과 김대수 교수  © 인디포커스

김대수 교수 연구팀, 배내 측 시상 핵이 깊은 수면 중에 소리에 대해 반응하여 뇌를 각성시킨다는 사실을 규명하였으며, 연구진은 청각신경이 뇌간을 통하여 배내 측 시상핵과 연결되는 것을 밝혀냈다.

KAIST는 생명과학과 김대수 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 김정진 박사팀과 공동연구를 통해 동물이 잠을 자는 동안에도 소리에 반응해 각성하는 원리를 규명했다고 20일 밝혔다. 

수면은 뇌의 활동을 정비하고 건강을 유지하는 매우 중요한 생리작용이다. 잠을 자는 동안 감각신경의 작용이 차단되므로 주변의 위험을 감지하는 능력이 감소하게 된다. 그러나 많은 동물은 잠자는 동안에도 포식자의 접근을 감지하고 반응한다. 과학자들은 동물이 깊은 잠과 낮은 잠을 번갈아 자면서 언제 있을지 모를 위험에 대비한다고 생각했다.

KAIST 김대수 교수 연구팀은 깊은 잠을 자는 동안에도 동물이 소리에 반응하는 신경회로가 있다는 사실을 발견했다. 깨어 있을 때는 청각 시상핵 (Medial geniculate thalamus)이 소리에 반응하지만 깊은 잠 즉 비 램수면 (Non-REM) 동안에는 배내측 시상핵(Mediodorsal thalamus)이 소리에 반응해 뇌를 깨운다는 사실을 밝혔다. 

그림 1. 전통적으로 소리신호는 청각신경에서 청각시상으로 전파되지만 깊은 수면 동안에는 청각신경이 뇌간신경을 통해 배내측시상으로 소리신호를 보내어 뇌의 각성을 유도한다. 

그림 2. 소리자극에 반응하는 GRIK4 배내측 신경. 소리자극이 주어진 시점을 기준으로 GRIK4 배내측 신경의 활성도가 증가하면서 각성효과가 유도됨. 

그림 3. 연구 모식도

연구 결과 쥐가 깊은 잠에 빠졌을 때 청각 시상핵 신경도 잠을 자고 있었지만 배내측 시상핵 신경은 깨어 있어 소리를 들려주자 곧바로 반응했다. 또한 배내측 시상핵을 억제하면 소리를 들려줘도 쥐가 잠에서 깨어나지 못했으며 배내측 시상핵을 자극하면 소리 없이도 쥐가 수초 이내에 잠에서 깨어나는 것을 관찰할 수 있었다. 

이것은 수면상태와 각성상태가 서로 다른 신경회로를 통해 청각신호를 전달 할 수 있다는 최초의 연구로서 국제 학술지 ‘커런트 바이올로지 (Current Biology)’에 2월 7일자로 보고됐으며 (https://www.nature.com/articles/d41586-023-00354-0) 국제학술지 네이처에 하이라이트 되었다. (https://www.nature.com/articles/d41586-023-00354-0)

김대수 교수는 “이번 연구를 통해 수면 질환 등 다양한 뇌 질환에서 보이는 각성 및 감각장애에 대한 이해를 증진하고 향후 감각을 조절할 수 있는 디지털 헬스케어 개발 등 다양한 분야로 활용이 가능하다”라고 설명했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구재단 과제로 지원됐다.  

용어 설명: 배내측 시상핵 (Mediodorsal thalamus)

배내측 시상핵은 감각 정보의 중계 센터 역할을 하는 시상핵의 일부 구조입니다. 배내측 시상핵은 정중 시상은 인지 및 감정 처리와 관련된 많은 주요 기능 즉, 주의력, 작업 기억, 그리고 의사 결정에 역할을 한다고 알려져 있다.

최근의 연구는 배내측시상이 다양한 정신적, 신경학적 장애의 치료를 위한 중요한 표적이 될 수 있다고 제안했다. 예를 들어, 우울증과 불안 장애의 병태 생리학에 관련되어 있으며, 몇몇 연구들은 배내측 시상핵의 자극으로 이러한 질병들을 치료할 수 있다고 있다고 제안한다.

배내측 시상핵은 인지, 감정, 그리고 수면과 관련된 많은 기능들에서 핵심적인 역할을 하며 다양한 정신 및 신경 질환의 근본적인 이해뿐만 아니라 이러한 조건에 대한 새로운 치료법의 개발을 위한 중요한 표적이 된다.