왜 휴식을 취하는 동안에도 뇌는 상당한 에너지를 소비 할까
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2021-12-09 08:21:46
3'30"읽기
- 우리 체중의 2%에 불과하지만, 에너지의 약 20%를 소비
- 대부분은 전기 및 화학 신호를 통한 신경 세포의 활발한 통신에 필요
- 실험실에서 뇌세포와 시냅스 배양하고 형광 마커 도움으로 휴식 중인 신진대사 조사
- 시냅스에 있는 작은 소포가 원인, 계속해서 막을 통해 양성자(에너지)를 잃어
우리의 뇌는 신체에서 가장 에너지를 많이 소비하는 기관이다.
비록 우리 체중의 2%에 불과하지만, 에너지의 약 20%를 소비한다. 대부분은 전기 및 화학 신호를 통한 신경 세포의 활발한 통신에 필요하다. 그런데 이상하게도 우리의 사고 기관의 에너지 요구량은 완전한 휴식이나 혼수상태에서도 약간만 떨어진다. 이것은 뇌가 혈액 공급이 잠깐 중단되면 매우 민감하게 반응하는 이유 중 하나다.
시냅스를 자세히 살펴보면
쉬고 있는 뇌는 이 에너지를 무엇을 위해 필요로 할까?
뉴욕 웨일 코넬 의과대학의 카밀라 풀리도(Camila Pulido)와 티모시 라이언(Timothy Ryan)은 전기 신호가 화학적 메신저로 번역되고 세포 사이의 시냅스 간극을 통해 전달되는 개별 신경 세포 사이의 전환점인 시냅스를 의심했다.
뇌세포는 이러한 신경 전달 물질을 작은 소포에 포장한 다음 전기 자극이 방출을 유발할 때까지 ‘재고’ 상태로 유지된다. 이러한 포장하고 다시 채우는 데 많은 에너지가 필요하므로 활성 뇌에서 전체 뇌 대사의 많은 부분을 구성한다는 것은 이전 연구에서도 알려져 있다. Pulido와 Ryan은 최근 대기(waiting) 위치에 있는 시냅스 소포의 경우 이것이 어떻게 보이는지 처음으로 더 자세히 조사했다.
이를 위해 연구팀은 실험실에서 뇌세포와 시냅스를 배양하고 형광 마커의 도움으로 휴식 중인 신진대사를 조사하고 ATP 또는 개별 프로세스 단계의 형태로 에너지 공급을 표적으로 차단했다.
소포막의 양성자 누출
실험에서 밝혀진 사실:
시냅스가 활성화되지 않더라도 거기에 저장된 소포는 실제로 ATP(아데노신 삼인산) 분자 형태로 화학 에너지를 지속적으로 공급해야 한다. 연구자들이 발견한 바와 같이, V-ATPase 효소는 소포가 신경전달물질로 가득 차 있을 때뿐만 아니라 소포가 가득 차서 아무 일도 일어나지 않을 때도 활성화된다.
왜?
더 면밀한 분석으로 작은 신경 전달 물질로 채워진 소포의 막이 완전히 밀착되지 않은 것으로 나타났다. 그들은 끊임없이 양성자를 주변으로 잃는다. "이 손실은 이를 위해 지속적으로 ATP를 소비하는 V-ATPase에 의해 보상되어야 한다"고 팀은 설명했다. 이 누출의 원인은 일반적으로 전령 물질을 소포로 운반하지만, 분명히 쉽게 양성자를 외부로 내보내는 소포막의 운반체 분자다.
휴식 상태에서도 높은 기본 부하
Pulido와 Ryan은 "우리의 데이터는 이러한 지속적인 양성자 유출이 휴면 시냅스의 ATP 소비의 약 44%를 담당한다는 것을 보여준다. 뇌에 있는 그러한 신경 종말의 엄청난 수와 이 에너지 소비가 일정하다는 사실을 고려할 때 이는 뇌에 상당한 기본 부하를 의미한다"고 설명했다. 추정에 따르면 우리 뇌에는 수백 조 개의 시냅스가 있다. ATP를 생성하므로 24시간 내내 에너지가 소모된다.
두 연구원은 "우리 연구는 우리 뇌가 다른 조직보다 기초 대사율이 훨씬 더 높은 이유에 대한 설득력 있는 설명을 제공한다. 심지어 쉬고 있을 때도 마찬가지다"고 말했다. "동시에 이러한 신경 종말이 공급 병목 현상에 민감한 이유도 설명한다.“
뇌 손상에 대한 도움?
높은 시냅스 에너지 소비를 담당하는 과정에 대한 지식은 이제 중단된 혈액 공급으로 인한 손상으로부터 뇌를 더 잘 보호하는 방법을 보여줄 수 있다.
Pulido와 Ryan은 적어도 조직 배양에서 이것이 어떻게 작동하는지 이미 시도했다. 그들은 양성자 누출 수송체 분자를 차단한 다음 에너지 공급이 차단되었을 때 시냅스가 여전히 얼마나 잘 기능하는지 테스트했다.
제어 시냅스가 몇 번의 신경 자극 후에 실패하는 반면 차단된 수송체로 인한 신경 종말은 50% 더 오래 지속되는 것으로 나타났다. 비활성화된 트랜스포터 때문에 새로운 소포를 채울 수는 없었지만 이미 포장된 소포는 팀이 알아낸 것처럼 더 오랜 시간 동안 사용할 준비가 된 상태로 남아 있었다. 이러한 전략이 살아있는 유기체에서도 작동한다면 뇌졸중이나 심장마비가 발생한 경우 귀중한 시간을 절약하는 데 도움이 될 수 있다.
(Science Advances, 2021; doi: 10.1126 / sciadv.abi9027)
출처: Weill Cornell Medicine
- 우리 체중의 2%에 불과하지만, 에너지의 약 20%를 소비
- 대부분은 전기 및 화학 신호를 통한 신경 세포의 활발한 통신에 필요
- 실험실에서 뇌세포와 시냅스 배양하고 형광 마커 도움으로 휴식 중인 신진대사 조사
- 시냅스에 있는 작은 소포가 원인, 계속해서 막을 통해 양성자(에너지)를 잃어
우리 뇌가 에너지를 갈구하는 이유
연구자들은 쉬고 있을 때도 사고 기관의 높은 에너지 요구량에 대한 퍼즐을 풀고 있다.
기본적으로 높은 부하:
우리가 잠들어 있거나 혼수상태에 있을 때에도 뇌는 엄청난 양의 에너지를 소비한다.
그 이유는 무엇일까? 연구원들이 이제 이 수수께끼에 대한 답을 찾았음에 틀림없다.
시냅스에 있는 작은 소포가 원인이 되며, 흥분하면 메신저 물질을 이웃 세포로 가져오다. 이 소포는 이미 정지 상태로 채워져 있지만, 과학자들이 발견한 것처럼 계속해서 양성자를 잃고 막을 통해 에너지를 잃고 있다.
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| ▲ 우리가 휴식을 취하는 동안에도 뇌는 상당한 양의 에너지를 소비한다. 그 이유는 무엇일까? |
우리의 뇌는 신체에서 가장 에너지를 많이 소비하는 기관이다.
비록 우리 체중의 2%에 불과하지만, 에너지의 약 20%를 소비한다. 대부분은 전기 및 화학 신호를 통한 신경 세포의 활발한 통신에 필요하다. 그런데 이상하게도 우리의 사고 기관의 에너지 요구량은 완전한 휴식이나 혼수상태에서도 약간만 떨어진다. 이것은 뇌가 혈액 공급이 잠깐 중단되면 매우 민감하게 반응하는 이유 중 하나다.
시냅스를 자세히 살펴보면
쉬고 있는 뇌는 이 에너지를 무엇을 위해 필요로 할까?
뉴욕 웨일 코넬 의과대학의 카밀라 풀리도(Camila Pulido)와 티모시 라이언(Timothy Ryan)은 전기 신호가 화학적 메신저로 번역되고 세포 사이의 시냅스 간극을 통해 전달되는 개별 신경 세포 사이의 전환점인 시냅스를 의심했다.
뇌세포는 이러한 신경 전달 물질을 작은 소포에 포장한 다음 전기 자극이 방출을 유발할 때까지 ‘재고’ 상태로 유지된다. 이러한 포장하고 다시 채우는 데 많은 에너지가 필요하므로 활성 뇌에서 전체 뇌 대사의 많은 부분을 구성한다는 것은 이전 연구에서도 알려져 있다. Pulido와 Ryan은 최근 대기(waiting) 위치에 있는 시냅스 소포의 경우 이것이 어떻게 보이는지 처음으로 더 자세히 조사했다.
이를 위해 연구팀은 실험실에서 뇌세포와 시냅스를 배양하고 형광 마커의 도움으로 휴식 중인 신진대사를 조사하고 ATP 또는 개별 프로세스 단계의 형태로 에너지 공급을 표적으로 차단했다.
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▲ 시냅스에서 신경전달물질 분자는 소포에 포장되어 있다가 전기 신호가 도착하면 시냅스 틈으로 방출된다. © ttsz / 게티 이미지 |
소포막의 양성자 누출
실험에서 밝혀진 사실:
시냅스가 활성화되지 않더라도 거기에 저장된 소포는 실제로 ATP(아데노신 삼인산) 분자 형태로 화학 에너지를 지속적으로 공급해야 한다. 연구자들이 발견한 바와 같이, V-ATPase 효소는 소포가 신경전달물질로 가득 차 있을 때뿐만 아니라 소포가 가득 차서 아무 일도 일어나지 않을 때도 활성화된다.
왜?
더 면밀한 분석으로 작은 신경 전달 물질로 채워진 소포의 막이 완전히 밀착되지 않은 것으로 나타났다. 그들은 끊임없이 양성자를 주변으로 잃는다. "이 손실은 이를 위해 지속적으로 ATP를 소비하는 V-ATPase에 의해 보상되어야 한다"고 팀은 설명했다. 이 누출의 원인은 일반적으로 전령 물질을 소포로 운반하지만, 분명히 쉽게 양성자를 외부로 내보내는 소포막의 운반체 분자다.
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| ▲ 지질 소포의 개략도. 소포는 신경전달물질, 염료, 약물, 나노입자 등이 될 수 있는 화물(녹색 점으로 표시)을 둘러싸고 있다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lipid_vesicles.svg |
휴식 상태에서도 높은 기본 부하
Pulido와 Ryan은 "우리의 데이터는 이러한 지속적인 양성자 유출이 휴면 시냅스의 ATP 소비의 약 44%를 담당한다는 것을 보여준다. 뇌에 있는 그러한 신경 종말의 엄청난 수와 이 에너지 소비가 일정하다는 사실을 고려할 때 이는 뇌에 상당한 기본 부하를 의미한다"고 설명했다. 추정에 따르면 우리 뇌에는 수백 조 개의 시냅스가 있다. ATP를 생성하므로 24시간 내내 에너지가 소모된다.
두 연구원은 "우리 연구는 우리 뇌가 다른 조직보다 기초 대사율이 훨씬 더 높은 이유에 대한 설득력 있는 설명을 제공한다. 심지어 쉬고 있을 때도 마찬가지다"고 말했다. "동시에 이러한 신경 종말이 공급 병목 현상에 민감한 이유도 설명한다.“
뇌 손상에 대한 도움?
높은 시냅스 에너지 소비를 담당하는 과정에 대한 지식은 이제 중단된 혈액 공급으로 인한 손상으로부터 뇌를 더 잘 보호하는 방법을 보여줄 수 있다.
Pulido와 Ryan은 적어도 조직 배양에서 이것이 어떻게 작동하는지 이미 시도했다. 그들은 양성자 누출 수송체 분자를 차단한 다음 에너지 공급이 차단되었을 때 시냅스가 여전히 얼마나 잘 기능하는지 테스트했다.
제어 시냅스가 몇 번의 신경 자극 후에 실패하는 반면 차단된 수송체로 인한 신경 종말은 50% 더 오래 지속되는 것으로 나타났다. 비활성화된 트랜스포터 때문에 새로운 소포를 채울 수는 없었지만 이미 포장된 소포는 팀이 알아낸 것처럼 더 오랜 시간 동안 사용할 준비가 된 상태로 남아 있었다. 이러한 전략이 살아있는 유기체에서도 작동한다면 뇌졸중이나 심장마비가 발생한 경우 귀중한 시간을 절약하는 데 도움이 될 수 있다.
(Science Advances, 2021; doi: 10.1126 / sciadv.abi9027)
출처: Weill Cornell Medicine
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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