내인성 광수용 신경절세포, 뇌가 밤낮 구분하도록 만들어
등록일 2019년 12월 31일 화요일
수정일 2019년 12월 31일 화요일
세 가지 유형의 세포가 뇌가 밤낮을 구분하도록 만든다(사진=셔터스톡)

뇌가 세 가지 유형의 세포, 내인성 광수용 신경절세포(ipRGC)로 밤낮을 구분하는 것으로 밝혀졌다. 

독립적인 비영리 연구소인 소크 연구소는 ipRGC가 빛에 반응해 24시간 주기 생체리듬에 영향을 미치는 것을 밝혀냈다. 연구 결과는 사이언스 저널에 게재됐다.

수면과 기상 사이클을 담당하는 세포 발견

인간의 생체리듬, 혹은 생체시계는 하루 24시간을 기준으로 움직인다. 이 시계는 우리가 일상적으로 활동하는 생물임을 결정하는 것이다. 수면주기가 변하면 특정 질병의 위험이 증가할 수 있다. 여태까지 과학계에서는 이런 생체리듬이 중추 신경계와 관련이 있다고 생각했다.

그러나 소크 연구소의 연구진은 일주기 리듬과 상관관계가 있으며 빛 반응에서 최전선 역할을 하는 세포가 있다는 사실을 확인했다. 이것이 바로 ipRGC다. 이 세포는 빛을 감지하고 뇌에 신호를 전달해 뇌가 밤과 낮의 차이를 구분하도록 만든다.

인간의 생체리듬, 혹은 생체시계는 하루 24시간을 기준으로 움직인다. 이 시계는 우리가 일상적으로 활동하는 생물임을 결정하는 것이다(사진=셔터스톡)

예를 들어 햇빛이 눈에 들어오면 인간의 생체리듬, ipRGC가 광선을 감지하고 시각 정보를 처리한다. 이 세포는 광원을 확인한 후 정보를 뇌로 전송하고, 뇌는 이 정보를 처리해 시간이 어느 정도 됐을지를 가늠한다. 이렇게 사람은 빛을 감지해 현재 태양이 떠 있고 낮이라는 사실을 알게 된다.

이 연구의 수석 저자인 사치다난다 판다는 "인간은 대부분 실내에서 생활한다. 이에 따라 낮에는 자연의 일광을 받지 않고, 밤에도 불을 켜고 지낼 수 있다. ipRGC가 빛의 질, 지속 시간, 시퀀스, 양 등에 반응하는 방식을 이해하면 생체시계 설계에 도움이 된다"고 말했다.

ipRGC의 세 가지 유형

생쥐의 망막에도 ipRGC가 존재한다. 그렇기 때문에 ipRGC의 발견 자체가 생물학 분야에서 새로운 것은 아니다. 그러나 이전에는 인간에게 이런 세포가 있다는 것을 발견하는 연구가 실패로 끝난 바 있다. 스크립스 연구소와 존 모런 눈 센터가 소크 연구소의 연구진을 도와 새로운 방식으로 ipRGC을 발견해냈다.

연구진은 망막 샘플을 전극 그리드에 놓고 샘플이 빛에 어떻게 반응하는지 연구했다. 망막 반응을 조사한 결과, 작은 세포 그룹을 찾을 수 있었는데 이 세포들은 빛에 30초 정도 노출된 후 소성됐다가 빛이 꺼지고 나면 몇 초 후에 비활성화됐다.

실험은 서로 다른 밝은 색상의 빛으로 진행됐다. 이 세포는 청색광에 가장 민감했다. 청색광이란 디지털 기기의 스크린이나 햇빛에서 나오는 블루라이트를 말한다. ipRGC의 유형은 다음과 같다.

-유형 1 : 이 유형은 상당히 빠르게 반응하지만 빛에 노출된 다음 비활성화하기까지 시간이 오래 걸린다.

-유형 2 : 이 유형은 광 노출 후 활성화 및 비활성화 하는 데 가장 오랜 시간이 걸린다.

-유형 3 : 이 유형은 가장 밝은 빛에는 반응하지 않지만 일단 활성화되면 세 가지 유형 중에서 가장 빠르게 활성화 및 비활성화한다.

이 연구 결과는 인간의 수면 및 각성 주기와 시각 기능에 대한 새로운 통찰력을 제시한다. 이 세포의 존재는 시각 장애인이 앞을 볼 수 없더라도 낮과 밤을 인식하는 데 도움이 될 수 있다. ipRGC는 다른 시각 세포와는 독립적으로 작동하기 때문이다. 또 ipRGC는 다른 시각 세포와 협력해 시각 정보의 밝기와 대비를 개선할 수 있다.

또한 세 가지 유형의 ipRGC 세포의 독립적인 기능에 대해 더 잘 알게 되면 이런 세포의 반응에 맞는 스마트 조명을 개발할 수 있을 것이다. 그리고 이런 조명 장치로 인간의 일주기 리듬을 개선해 수면 장애 등을 겪는 환자를 도울 수 있다. 한편 연구진은 앞으로 더 다양한 색상의 빛을 다양한 강도 및 지속 시간으로 조정해 연구를 이어갈 생각이다.

ipRGC의 발견은 광 요법이라는 새로운 의료 분야에도 도움이 될 수 있다. 예를 들어 수면 사이클이 비정상적인 사람은 만성적인 수면 장애로 인해 신경계에 불균형이 생길 수 있다. 또 이로 인해 우울증, 불면증, 편두통 등을 겪을 수 있다. 여러 건강 기관이 사람에게 필요한 최소 수면 시간을 연령 별로 정해둔 데에는 이유가 있다.

허성환기자  
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