장기전위화

장기전위화

생쥐(또는 쥐)의 해마에 있는 특정 시냅스의 작용에 의해 이러한 형태의 장기기억이 일어나도록 한다. 해마의 절편을 분리한 다음 그 뉴우런을 가지고 전위기록장치를 이용하여 시험관내(in vitro)에서 실험이 진행되었다. 시냅스전 뉴우런에 자극이 전달되면 이는 시냅스후 뉴우런의 활동전위(action potential)를 일으킨다. 시냅스의 특성상 이것이 바로 우리가 기대할 수 있었던 것이다. 이러한 실험시스템에서 놀라운 것은 어떤 시냅스들은 시간이 지나면서 보다 자극에 민감해져 시냅스전 뉴우런에 가해졌던 일정 수준의 자극이 시간이 경과함에 따라 시냅스후 뉴우런에서보다 큰 자극으로 전환된다는 사실이다. 수주일동안 지속될 수 있는 이러한 현상을 장기전위화(long-term potentiation, LTP)라 일컫는다. Aminophosphonovaleric acid(“APV”)라 불리는 약제를 해마의 절편에 처리하게 되면 장기전위화(LTP)가 저해된다. APV는 신경전달물질인 글루탐산(Glu)에 정상적으로 반응을 나타내는 시냅스후 세포막에 있는 일련의 수용기들의 작용을 억제시킴으로써 저해작용을 일으킨다. 이러한 수용기들은 N-methyl-D-aspartate(NMDA)에 의해서도 자극이 되기 때문에 다른 글루탐산에 의해 활성화되는 수용기와는 구분이 되며, 따라서 NMDA수용기라 일컫는다.

NMDA 수용기는 막을 가로질러 존재하는 이온들의 통로를 조절함으로써 뉴우런의 원형질막을 통한 칼슘이온(Ca²+)의 촉진적 확산(facilitated diffusion)을 가능하게 한다. 글루탐산(또는 NMDA)이 이들 수용기와 결합하게 되면 같은 시냅스후 세포가 다른 시냅스에 의해 동시에 탈분극화될 때에만 수용기들이 이온통로를 열어 칼슘이온이 세포내로 유입되게 한다. 학설에 의하면 NMDA 수용기의 이러한 특성이 바로 학습과정에 요구되는 필수적인 것이다. 예를 들어 만약 무조건자극(unconditioned stimulus)이 해마의 뉴우런을 탈분극시키면 동시에 조건자극(conditioned stimulus)이 뉴우런에 있는 NMDA 수용기를 활성화시켜 칼슘이온의 세포내 유입이 일어나고 이는 NMDA 시냅스의 민감성에 영구적인 변화를 일으켜 조건반응(conditioned response)이 일어날 수 있도록 한다.

세포내로 칼슘이온이 유입되면 하나 또는 그 이상의 키나아제(kinase)를 활성화시키는데 이는 세포내의 다른 단백질 분자들에게 인산기 (phosphate group)를 제공하게 된다. 이러한 생화학적 변화는 그들의 특성을 변화시키는데 그 예로서 키나아제에 의해 중개되는 인산화반응이 뉴우런의 휴지전위 (resting potential)를 일으키는 칼륨이온(K+) 통로를 차단시켜 버린다. 만약 뉴우런으로부터 칼륨이온의 확산속도가 느리게 진행되면 휴지전위는 감소되고 따라서 뉴우런이 역치에 이르는데 요구되는 흥분성 시냅스후 전위(excitatory postsynaptic potential, EPSP)의 양이 작아지게 된다. 그 결과 바로 장기전위화(LTP)에서 관찰되었던 시냅스후 뉴우런의 민감성이 증가하게 된다.

형질전환시킨 생쥐를 가지고 장기전위화의 모델을 시험하였다. 키나아제 유전자에 결함이 있는 동형접합자를 가지도록 한 돌연변이 생쥐는 LTP를 나타내지 못하게 된다. 더욱이 이들은 물 속에 숨겨져 있는 연단이 어디에 있는지를 기억해 낼 수없다. 그러나 다른 점에 있어서는 완전히 정상적인 것처럼 보인다. 물을 피해 도망가려는 동기나 통찰력 또한 정상적이라는 것이 다른 실험들을 통해 밝혀졌다.

생쥐가 연단 찾는 훈련과정과 LTP의 상승은 당신이 다음 생물학 시험에 통과할 수 있도록 하는 기억과정과 같아 보인다. 우리는 모든 학습과 기억능력이 시냅스 세기의 지속적인 변화에 근거한다고는 확실할 수 없다. 그러나 환원주의자들의 연구방식은 최소한 생명에 숨겨진 또 다른 거대한 수수께끼를 해결할 수 있는 방법을 제시할 수 있을 것이다.