백색증 쥐의 시각 시상에서 잘못 표적화된 망막 축삭은 시냅스적으로 분리된 하위 회로를 형성한다

핵심 개념

백색증 쥐에서 발생하는 망막 축삭의 표적화 오류는 시각 시상에서 시냅스적으로 분리된 하위 회로를 형성하며, 이는 활동 의존적 시냅스 리모델링에 의해 발생한다.

초록

백색증 쥐 시각 시상에서의 시냅스 분리 회로 연구

본 연구 논문은 백색증 쥐의 시각 시상에서 발생하는 망막 축삭의 표적화 오류로 인해 시냅스적으로 분리된 하위 회로가 형성되는 현상을 분석하고, 이러한 현상이 활동 의존적 시냅스 리모델링에 의해 발생한다는 것을 밝히고 있습니다.

본 연구는 백색증 쥐에서 관찰되는 망막 신경절 세포 (RGC) 축삭의 표적화 오류가 시각 시상의 외측 슬상핵 (dLGN)에서 시냅스 연결의 분리를 초래하는지 여부를 규명하고자 하였습니다.

연구진은 백색증 쥐의 망막 신경절 세포를 추적자로 표지하고, 광학 현미경 및 전자 현미경을 이용하여 dLGN의 미세 회로를 분석했습니다. 특히, 표적화 오류가 발생한 망막 신경절 세포 축삭 다발 (island)과 정상적인 망막 신경절 세포 축삭 (non-island)의 시냅스 연결 패턴을 비교 분석했습니다.

핵심 통찰 요약

Mistargeted retinal axons form synaptically segregated subcircuits in the visual thalamus of albino mice

by McCracken,S.... 게시일 www.biorxiv.org 07-17-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.15.603571v1

더 깊은 질문

백색증 쥐에서 나타나는 시냅스 분리 현상이 시각 정보 처리에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 백색증과 관련된 시각 장애를 이해하는 데 어떤 도움을 줄 수 있을까요?

백색증 쥐에서 나타나는 시냅스 분리 현상은 시각 정보 처리에 부정적인 영향을 미칠 가능성이 높습니다. 정상적인 쥐의 뇌에서는 양쪽 눈에서 오는 시각 정보가 외측 슬상핵(dLGN)에서 통합되어 시각 피질로 전달됩니다. 하지만 백색증 쥐에서는 잘못 연결된 망막 신경절 세포(RGC) 축삭 다발이 시냅스 분리를 일으켜, 마치 별개의 두뇌 회로처럼 작동하게 됩니다.
구체적으로, 시냅스 분리는 다음과 같은 시각 정보 처리 문제를 야기할 수 있습니다.

양안 시력 저하: 백색증 쥐에서는 양쪽 눈에서 오는 시각 정보가 정상적으로 통합되지 못하고 분리된 상태로 처리됩니다. 이는 깊이 지각 능력과 입체시에 중요한 양안 시력 저하로 이어질 수 있습니다.
시력 예민도 감소: 시냅스 분리로 인해 시각 정보 전달의 효율성이 떨어지면서, 전체적인 시력 예민도가 감소할 수 있습니다.
비정상적인 시각 경험: 분리된 회로는 비정상적인 시각 경험을 생성하여, 뇌의 시각 피질 발달과 시각 기능 학습에 영향을 줄 수 있습니다.
이러한 시냅스 분리 현상은 백색증과 관련된 시각 장애를 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 백색증 환자들은 망막 색소 부족으로 인해 빛의 산란이 증가하고, 이는 시각 정보 전달의 오류를 유발하여 시력 저하를 야기합니다. 백색증 쥐에서 나타나는 시냅스 분리 현상은 이러한 시각 정보 전달 오류가 뇌의 시냅스 연결 형성에도 영향을 미쳐 시각 장애를 악화시킬 수 있음을 보여줍니다.

뇌의 다른 영역, 특히 시각 정보 처리에 관여하는 다른 시상핵이나 시각 피질에서도 유사한 시냅스 분리 현상이 발생할 수 있을까요?

네, 뇌의 다른 영역, 특히 시각 정보 처리에 관여하는 다른 시상핵이나 시각 피질에서도 유사한 시냅스 분리 현상이 발생할 수 있습니다.

시상핵: 외측 슬상핵(dLGN) 이외에도 시상에는 시각 정보 처리에 관여하는 다른 핵들이 존재합니다. 예를 들어, 시상 베개핵(Pulvinar nuclei)은 주의 집중, 눈의 움직임 제어 등에 관여하며, 상구(Superior colliculus)에서 시각 정보를 받아 처리합니다. 만약 이러한 시상핵에서도 백색증으로 인한 비정상적인 시각 정보 입력이 발생한다면, dLGN에서와 유사하게 시냅스 분리가 일어날 가능성이 있습니다.
시각 피질: 시각 피질은 시상으로부터 시각 정보를 전달받아 최종적으로 시각 정보를 처리하는 영역입니다. 시각 피질 역시 발달 과정에서 활동 의존적 시냅스 리모델링을 거치기 때문에, 비정상적인 시각 정보 입력은 시냅스 분리를 유발할 수 있습니다. 특히, 시각 피질의 경우, 눈 우세성(ocular dominance) 형성 과정에서 일정 기간 동안 한쪽 눈의 입력이 차단되면 해당 눈에 반응하는 뉴런의 시냅스 연결이 약해지는 현상이 잘 알려져 있습니다. 백색증 쥐의 경우에도 dLGN에서의 시냅스 분리로 인해 시각 피질 특정 영역에 대한 입력이 제한되면서, 유사한 시냅스 분리 현상이 나타날 수 있습니다.
결론적으로, 백색증으로 인한 비정상적인 시각 정보 입력은 dLGN뿐만 아니라 뇌의 다른 시각 정보 처리 영역에서도 시냅스 분리를 유발할 가능성이 있습니다. 이는 백색증과 관련된 시각 장애가 단순히 눈의 문제가 아니라 뇌의 시각 정보 처리 과정 전반에 걸친 문제일 수 있음을 시사합니다.

만약 활동 의존적 시냅스 리모델링 과정을 인위적으로 조절할 수 있다면, 백색증 쥐의 시각 회로를 정상화하거나 특정 시각 기능을 향상시키는 것이 가능할까요?

네, 만약 활동 의존적 시냅스 리모델링 과정을 인위적으로 조절할 수 있다면, 백색증 쥐의 시각 회로를 정상화하거나 특정 시각 기능을 향상시키는 것이 가능할 수도 있습니다.
활동 의존적 시냅스 리모델링은 크게 시냅스 강화와 시냅스 약화라는 두 가지 메커니즘으로 이루어집니다. 시냅스 강화는 동시에 활성화되는 시냅스 연결을 강화시키는 반면, 시냅스 약화는 그렇지 않은 연결을 제거하는 역할을 합니다. 백색증 쥐의 경우, 비정상적인 시각 정보 입력으로 인해 시냅스 강화와 약화의 균형이 깨져 시냅스 분리가 일어난 것으로 볼 수 있습니다.
따라서 다음과 같은 방법들을 통해 백색증 쥐의 시각 회로를 정상화하거나 특정 시각 기능을 향상시키는 것을 시도해 볼 수 있습니다.

정상적인 시각 자극 제공: 백색증 쥐에게 조기에 정상적인 시각 자극을 집중적으로 제공하여 시냅스 연결의 재구성을 유도할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 방향 또는 패턴의 시각 자극을 반복적으로 제시하면서 약해진 시냅스 연결을 강화하고, 불필요한 연결을 제거하는 방식입니다.
약물 또는 유전자 치료: 시냅스 가소성을 조절하는 약물이나 유전자 치료를 통해 시냅스 리모델링 과정에 직접적으로 개입할 수 있습니다. 예를 들어, NMDA 수용체 활성 조절을 통해 시냅스 강화를 촉진하거나, 특정 신경 성장 인자를 투여하여 시냅스 연결의 재형성을 유도하는 방식입니다.
광유전학 또는 화학유전학: 빛이나 화학 물질을 이용하여 특정 뉴런의 활성을 조절하는 광유전학 또는 화학유전학 기술을 활용할 수 있습니다. 예를 들어, 잘못 연결된 RGC의 활성을 억제하고 정상적인 RGC의 활성을 증가시켜 시냅스 연결을 재조정하는 방식입니다.
하지만, 활동 의존적 시냅스 리모델링은 매우 복잡한 과정이며, 아직까지 완벽하게 밝혀지지 않은 부분들이 많습니다. 따라서 위에서 제시된 방법들이 실제로 백색증 쥐의 시각 회로를 정상화할 수 있을지는 추가적인 연구를 통해 검증되어야 합니다.
하지만, 최근 뇌 과학 및 신경과학 분야의 기술 발전은 이러한 가능성을 열어두고 있으며, 백색증과 같은 시각 장애 치료에 새로운 희망을 제시하고 있습니다.