[연구필요성]
엔그램 세포의 시냅스는 물리적으로 기억을 저장하며, 이는 엔그램 세포 사이의 시냅스 네트워크가 기억의 형성, 유지 및 소멸을 매개한다는 것을 암시한다. 실제로 해마 내의 CA3 엔그램 세포와 CA1 엔그램 세포 사이의 강화된 시냅스의 연결이 시냅스를 GFP 계열 형광으로 가시화하는 "dual-eGRASP"를 사용하여 관찰되었다.
그러나, 기술적 한계로 인해 지금까지 연구들은 서로 다른 개체에서 한정된 기억상태만을 관찰할 수 있었다. dual-eGRASP의 형광 신호는 마우스를 희생 시킨 후 얻는 뇌 절편에서 관찰되었기 때문에 동일한 개체 내에서 여러 시점을 관찰하는 것이 불가능했다. 이러한 실험 방식은 생체 내에서 다양한 기억 상태에 따른 시냅스들의 변화에 대한 연구에 한계로 작용했다. 이와 같은 문제를 극복하기 위해, 4가지 형광의 생체 내 이광자 이미징과 dual-eGRASP 시스템을 함께 활용하였다.
[연구성과/기대효과]
최초로 이광자 현미경과 dual-eGRASP 기술을 접목함으로써, 우리는 다양한 시점에서의 시냅스 관찰에 대한 가능성을 열었다.
기억의 형성 및 소거에 따라 역동적으로 변화하는 해마의 CA3와 CA1 엔그램 간 시냅스들이 공포 기억의 핵심적인 저장소일 것으로 주장하였다.
이번 연구는 해마에서 형성되는 공포 기억에 한하여 진행되었지만, 이 연구에 적용된 기술을 더욱 활용한다면 감각 피질, 운동 피질 등 다양한 뇌 영역에서 생체 내의 변화를 관찰할 수 있을 것이다.
[본문]
바이러스를 이용해 마우스의 해마에 dual-eGRASP 시스템을 발현시킨 후, 1주일 뒤hippocampal cannula window를 삽입하여 이광자 현미경으로 마우스가 살아있는 상태에서 여러 차례 관찰이 가능하도록 하였다.
기존 연구에서도 해마의 시냅스를 dual-eGRASP를 이용해 관찰한 바가 있으나, 공초점 현미경으로 뇌 절편을 확인했기 때문에 기억이 형성된 이후에만 관찰이 가능하다는 한계가 있었다. 이러한 기존 연구와는 달리 이광자 현미경을 접목시켜, 동일한 개체의 해마에서 동일한 수상돌기와 시냅스를 다양한 시점에 추적해 비교할 수 있었다는 점이 가장 큰 차이점이다. 이러한 기술적 이점을 통해 기억이 형성되거나 소거되는 과정에서 실제로 해마의 엔그램 시냅스들이 어떻게 변화하는지 확인할 수 있었다.
이광자 이미징을 통해 기억 형성 이전과 비교 분석을 진행한 결과, 해마의 CA3, CA1 엔그램 시냅스 특이적으로 약 20%가 공포 기억이 형성되는 과정에서 새롭게 형성된 것으로 나타났다. 반대로 공포 기억의 소거를 유도하였을 때, 이러한 엔그램 시냅스의 약 10%가 사라지는 상관관계가 특이적으로 나타났다. 이에 더하여, 수상돌기 상에서 나타나는 시냅스들의 분포를 관찰하였다. 흥미롭게도, 기존에 존재하던 시냅스들 근처에 새로운 엔그램 시냅스들이 형성되면서, 기억 형성 이후 엔그램 시냅스들은 약 5μm의 평균 간격을 가지는 군집으로 존재하였다.