【뉴욕】 UCLA(캘리포니아대학 로스엔젤레스) 뇌신경외과 Raffaella Molteni박사는 래트실험을 통해 자발적인 운동이 성숙 래트의 후신경절(DRG) 뉴런의 축삭 재생을 촉진시킨다고 Proceedings of the National Academy of Sciences USA(PNAS, 2004;101: 8473-8478)에 발표했다.
박사에 따르면, 운동이 신경영양인자 신호전달 기전을 통해 시냅스의 가소성(可塑性)과 재생능력을 변화시켜주기때문이다.
축삭 길이 주행거리와 관련
운동으로 인해 신경영양인자 시스템에 변화가 시냅스의 가소성에 영향을 미치는지를 검토하기위해 Molteni박사는 0, 3, 7일간 회전판 위에서 뛰게한 래트로부터 지각 뉴런의 성장변화를 검토했다.
그 결과, 운동시킨 래트에서 적출한 감각뉴런은 축삭을 좀더 길게 신장시켰다. 축삭의 길이는 래트가 뛴 거리와 직접적인 관련성을 나타냈다.
3일 또는 7일간 운동시킨 래트의 배양 후 신경절(DRG) 뉴런의 축삭은 운동시키지 않은 래트의 축삭보다 길게 성장했다.
3일간 운동시킨 래트의 평균 축삭 길이는 운동시키지 않은 래트보다 유의하게 길었으며, 7일간 운동시킨 래트의 축삭은 3일간 운동시킨 래트보다 유의하게 길었다. 또 운동시킨 래트의 DRG는 운동시키지 않은 래트보다 분지형성도 적었다.
박사팀은 운동이 in vitro에서도 축삭의 재생을 촉진시키는지 검토하기 위해 래트의 좌골신경을 파괴시켰다.
그 결과, 운동시킨 래트는 그렇지 않은 래트보다 좌골 신경축삭이 유의하게 재생된 것으로 나타났다.
또한 좌골신경을 파괴시킨 래트를 7일간 운동시킨 후 나타나는 FluoroGold-양성뉴런의 수는 운동시키지 않은 래트보다 약 2배 많았다. FluoroGold는 간접 조직형광항체법에 이용되는 형광항체의 일종이다.
NT계 활성화 시켜야
운동시킨 래트의 감각신경절에는 운동시키지 않은 래트보다 뇌 유래 신경영양인자(BDNF), 신경영양인자3(NT3), 시냅스 I, GAP43 mRNA도 유의하게 많았다.
Molteni박사에 따르면 근육-DRG-척수 사이에서 발생하는 감각-운동기능 조절에 BDNF와 NT3가 중요한 역할을 한다.
7일간 운동시킨 래트에서는 DRG의 BDNF와 NT3의 mRNA레벨이 약 1.5배 상승했다.
운동 전에 신경영양인자 수용체 활성 억제제를 뉴런에 삽입시킨 결과, 활성화로 인한 축삭의 신장(伸張)은 나타나지 않게 되었다.
이러한 조작을 통해 특히 시냅스 I전사에 대한 운동 효과가 억제되고 운동으로 인한 축삭의 신장이 줄어들었다.
이처럼 운동 전에 Trk신경영양인자 수용체를 약리학적으로 억제시키면 운동 효과가 사라졌다는 것은 운동이 축삭 재생을 촉진시키기 위해 신경영양인자 신호전달시스템을 활성화시켜야 한다는 사실을 보여준다.
NT계 활성화가 유전자 발현
Molteni박사팀은 과거에 자발적 운동을 통해 운동신경의 유전자발현이 상승한다는 사실을 보고한 바 있다(Zhe Yang박사팀, Brain Research 2003;987:93-99).
이러한 자발적 운동은 특히 척수와 골격근에서 나타나는 BDNF와 NT3를 증가시키고, 이어 운동신경에서 발현하는 시냅신 I mRNA를 변화시킨다.
Molteni박사에 따르면 이번 소견은 생리학적 활동 역시 신경 영양인자 의존성 기전을 통해 신경손상 후의 재생에 유용한 효과를 가져온다는 사실을 보여주는 것이라고 지적한다.
이번 소견에서 박사팀은 “시냅스 I은 신경이 손상된 후에 업레귤레이트되는 시냅스 소포단백질이며 축삭원형질막의 재료로서 축삭을 신장시킨다는 사실을 보여준다”고 설명한다.
한편 BDNF는 해마 뉴런에서 시냅신 I의 합성을 조절하여 신경전달물질의 방출을 증가시킨다.
GAP43 mRNA레벨은 발달 도중 그리고 손상된 다음에 높게 나타나며 축삭신장기간과 관련이 있다. 그리고 GAP43단백질은 신경성장원추체에 국한적으로 존재하고 있다.
그러나 GAP43를 과잉 발현시킨 트랜스제닉 마우스에서는 학습이 촉진되고 야생형 마우스에서는 신경활동에 의해 GAP43발현이 상승하는 것으로 나타나, GAP43도 시냅스 기능에 관여한다는 증거가 얻어졌다.
박사팀은 시냅스 기능 또는 가소성에 대한 신경영양인자의 역할에 관한 최근 연구를 관찰하고 신경영양인자의 성장촉진 작용은 충분히 확인됐다고 설명한다.
최근들어 신경영양인자는 시냅스 기능이나 가소성에도 관여하는 것으로 밝혀지고 있다. BDNF나 NF3, NT4는 신경의 흥분성이나 시냅스 효율에 대해 신속하게 국소에 작용하는 것으로 나타나고 있다.
이러한 신속한 작용 외에 신경영양인자는 유전자 발현이나 시냅스 접점의 구조를 변화시킴으로써 시냅스 기능에 보다 지속적인 작용을 미칠 수 있다.
발달 중인 신경계에서 신경활동에 의존하는 신경영양인자의 방출이나 합성에 의해 수상돌기나 축삭의 형태가 변화한다는 사실이 보고되고 있다.
배양 해마 뉴런에서 나타나는 탈분극 후의 수상돌기 발아촉진에는 BDNF가 필요하지만, 외부의 BDNF에 의한 발아에서는 신경활동이 필요하지 않다.
이 소견은 신경 활동이 신경영양인자의 합성/방출을 일으키며, 이것이 성장에 필요한 유전자의 발현을 조절하는 시간적 순서를 보여준다.