수면이 상쾌한 느낌을 주는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있는 뇌가 분자 폐기물을 제거하는 방법에 대한 대중적인 가설은 논쟁의 대상입니다.
뇌척수액이 뇌 주변을 순환하는 이유와 그 흐름의 방향을 아는 사람은 아무도 없습니다.
Quanta Magazine의 Chanelle Nibbelink
소개
두개골에 싸여 있고 척추 꼭대기에 자리잡은 뇌는 세심하게 관리되는 존재입니다. 뇌혈관장벽을 통해 여과된 특정 영양소만 섭취합니다. 정교한 보호막 시스템이 그것을 둘러싸고 있습니다. 그 특권적인 공간에는 미스터리가 담겨 있습니다. 100년이 넘도록 과학자들은 다음과 같은 질문을 해왔습니다. 어떤 물질이 뇌에 들어가기가 그렇게 어렵다면 노폐물은 어떻게 빠져나올 수 있을까요?
뇌는 신체의 모든 기관 중 신진대사가 가장 높은 곳 중 하나이며, 그 과정에서 제거해야 할 부산물이 생성됩니다. 신체의 나머지 부분에서는 혈관이 림프관 시스템에 의해 가려져 있습니다. 혈액에서 목적을 달성한 분자는 체액이 채워진 관으로 이동한 후 처리를 위해 림프절로 쓸려갑니다. 그러나 뇌의 혈관에는 그러한 배출구가 없습니다. 모두 합하면 수백 킬로미터가 이 조밀하고 분주하게 작동하는 조직을 적절한 폐기물 시스템 없이 헤쳐나가는 것 같습니다.
그러나 뇌의 혈관은 액체로 가득 찬 개방된 공간으로 둘러싸여 있습니다. 최근 수십 년 동안 이러한 공간에 있는 뇌척수액(CSF)이 많은 관심을 끌었습니다. 베른 대학교에서 뇌척수액 시스템을 연구하는 스티븐 프루(Steven Proulx)는 “어쩌면 뇌척수액은 뇌 내에서 다양한 사물의 흐름이나 교환을 위한 고속도로가 될 수 있습니다.”라고 말했습니다.
Cell의 최근 논문 뇌 주변과 뇌의 숨겨진 공간에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 새로운 보고서가 포함되어 있습니다. 신경학자 마이켄 네더가드(Maiken Nedergaard)가 이끄는 로체스터 대학의 한 팀은 뇌 혈관의 느린 펌핑이 액체를 세포 주변, 세포 사이, 어떤 경우에는 세포를 통과하여 잠재적으로 배수 시스템을 구동할 수 있는지 여부를 물었습니다. 쥐 모델에서 연구원들은 빛나는 염료를 CSF에 주입하고 혈관벽을 조작하여 펌핑 작용을 촉발했으며 곧 뇌의 염료 농도가 증가하는 것을 확인했습니다. 그들은 혈관의 움직임이 뇌척수액과 아마도 뇌의 노폐물을 장거리로 이동시키는 데 충분할 수 있다는 결론을 내렸습니다.
팀은 해석에서 한 단계 더 나아갔습니다. 익숙한 심장 박동과는 다른 이러한 종류의 펌핑은 수면 중에 정기적으로 관찰되기 때문에 아마도 그들의 관찰이 왜 잠이 상쾌하게 느껴지는지 설명하는 데 도움이 될 수 있다고 제안합니다. 그러나 모두가 동의하는 것은 아니라는 가설은 근거가 충분합니다. 뇌를 통해 이동하는 체액에 목적을 부여하는 것과 관련하여 많은 연구자들은 진실이 아직 파악하기 어렵다고 믿습니다.
두뇌 유출
뇌의 중심에는 심실이라고 불리는 어둠에 싸인 큰 물탱크처럼 물이 넘치는 동굴이 있습니다. 뇌척수액은 심실 벽에서 새어 나와 움직입니다. 압력을 받으면 두개골 내 다른 곳에서 나와 목 아래로 흘러 척추로 들어갑니다.
신경학자 마이켄 네더가드(Maiken Nedergaard)의 "글림프 가설"은 뇌척수액이 수면 중에 뇌에서 노폐물을 배출하는 데 도움이 된다고 제안합니다. 그녀의 증거는 많은 논란을 불러일으켰습니다.
Adam Fenster, 로체스터 대학교
과학자들은 사망의 순간에 뇌척수액이 척추에서 뇌로 흘러간다는 사실을 100년 이상 알고 있었습니다. 이는 살아있는 뇌가 어떻게든 물질을 계속 움직이게 하지만 그것이 어떻게, 어디로 흐르는지 정확히 아는 사람은 아무도 없음을 시사합니다. 뇌와 두개골의 움직임을 보여주기 위해 뇌와 두개골의 다이어그램에 그려진 화살표를 완전한 진실로 받아들여서는 안 됩니다.
스웨덴 카롤린스카 연구소의 혈관 생물학 교수인 Christer Betsholtz는 "모든 사람은 여기에 어떤 종류의 흐름이 있어야 한다는 것을 인정합니다."라고 말했습니다. "매일 심실에서 약 0.5리터의 뇌척수액이 생성되는데, 이를 배출해야 합니다. 뇌척수액이 어디로 빠져나가는지에 대한 사람들은 아직도 싸움을 벌이고 있습니다."
또한 뇌 밖으로 나가는 과정에서 폐기물을 수집하는지 여부와 결정적으로 방법에 대해서도 논의 중입니다. 적어도 작은 분자가 세포 사이의 공간을 통해 확산되어 CSF로 이동하여 뇌 밖으로 나갈 수 있다는 좋은 증거가 있습니다. 실제로 일부 연구자들은 전체 시스템이 수동 확산을 통해 작동한다고 믿고 있습니다.
2012년 Nedergaard 연구실의 결과는 보다 적극적인 프로세스를 제안했습니다. Nedergaard는 당시 연구실의 박사후 연구원이었던 신경학자 Jeffrey Iliff 및 동료들과 함께 뇌척수액에 추적자를 주입하고 그것이 다른 곳으로 빠르게 도달하는 것을 관찰했습니다. 한 곳에서 다른 곳으로 어떻게 이동했나요? 그들은 혈관 주변 공간이 개별 세포 사이의 뇌 깊은 곳의 더 작은 공간과 소통한다고 제안했습니다. 그들은 또한 CSF가 성상교세포(astrocyte)라고 불리는 뇌세포를 통해 그 공간으로 이동한다고 제안했습니다. 그곳에서 유체는 일부 분자를 떨어뜨리고 다른 분자를 흡수할 수 있습니다. 그런 다음 혈관 주변 공간으로 다시 나가서 뇌에서 노폐물을 제거할 수 있습니다. 이 모든 것은 불확실한 메커니즘의 흐름에 의해 추진되어야 합니다.
그것은 놀라운 아이디어였습니다. 새로운 논문의 수석 저자인 Nedergaard와 동료들은 곧 이를 또 다른 미스터리, 즉 수면이 유익한 이유와 연결함으로써 이를 더욱 충격적으로 만들었습니다. 2013년 논문에서 그녀의 팀은 깨어 있는 쥐보다 잠을 자고 마취된 쥐에서 뇌척수액의 움직임이 더 많고 아마도 수면 중에 CSF가 뇌에서 노폐물을 제거한다고 썼습니다. 아마도 헤드라인에서 설명하는 이러한 "세뇌"는 수면이 필요한 이유 중 하나를 제공할 수 있으며, 숙면을 취한 후 기분이 얼마나 좋아지는지를 설명할 수 있습니다.
Mark Belan/Quanta 매거진
Nedergaard는 “나는 수면의 회복 부분이 기억 강화가 아니라고 굳게 믿습니다.”라고 말했습니다. "부분적으로 그럴지도 모르겠습니다. 하지만 정말 중요한 것은 수면의 살림 기능입니다."
이러한 초기 연구 이후 몇 년 동안 글림프 가설이라고 불리는 이 뇌 배수 이론을 참조하는 수많은 논문이 출판되었습니다. 재미있는 아이디어지만 이야기의 일부는 뇌 혈관계를 연구하는 일부 연구자들에게 경고 신호를 보냅니다.
신체의 체액 흐름을 연구하는 캘리포니아 대학 명예 교수인 Alan Verkman은 이론의 일부 측면이 물리적으로 믿기지 않는다고 주장했습니다. 예를 들어 체액을 유입시키는 채널이 실제로 요구되는 역할을 수행할 수 없다는 것입니다. Betsholtz에 따르면 체액이 뇌에서 나오는 혈관 주변 공간으로 이동한다는 증거는 없습니다.
그러나 다른 많은 연구자들은 글림프 가설을 받아들인 것으로 보입니다. UCSF 의과대학에서 혈액과 림프관을 연구하는 도널드 맥도날드(Donald McDonald)는 이것이 뇌에 대한 우리의 이해에 구멍을 메우기 때문이라고 말했습니다. 개인적으로 그는 그 이론이 타당하다고 생각하지 않지만 그 인기는 인정합니다. 수수께끼가 있는 공간에 편안하게 어울립니다.
썰물과 썰물
밀봉된 물병을 상상해 보세요. 자연 상태의 액체를 연구하려면 병에 구멍을 뚫어야 합니다. 이것이 뇌척수액 흐름을 연구하는 과학자들이 해결해야 하는 어려움입니다. 매사추세츠 공과대학의 신경과학 교수인 로라 루이스는 “유체를 연구하고 시스템에 구멍을 내면 실제로 시스템이 바뀌게 됩니다.”라고 말했습니다. "유체 역학은 침습적 시술로 인해 쉽게 방해를 받습니다." 또한 호흡, 심장 박동 등 살아있는 동물이 수행하는 수많은 행동이 체액에 직접적인 영향을 미칩니다.
그렇다면 이 분야에서 새로운 가설을 세우는 것은 까다롭습니다. Nedergaard 그룹의 최근 Cell에서 논문에서 팀은 CSF가 뇌 세포 사이에서 어떻게 펌핑될 수 있는지 설명할 뿐만 아니라 그 과정을 수면과 연결시키는 흥미로운 연관성을 탐구하고 싶었습니다.
연구를 위해 생쥐는 뇌에 센서, 전선 및 튜브를 이식하는 수술을 받았습니다. 이는 물병을 연구하는 한 가지 방법입니다. 연구진의 목표는 뇌의 한 지점에서 뇌척수액에 추적 염료를 주입한 다음 쥐가 자는 동안 뇌척수액의 진동과 역학을 추적하는 것이었습니다.
데이터는 생쥐가 비급속 안구 운동(NREM) 수면 단계에 있는 동안 추적자의 농도가 리드미컬하게 움직인다는 것을 보여주었습니다. 제1저자인 Natalie Haugland에 따르면, 연구자들은 뇌 표면 위에 위치한 센서에서 증가와 감소 패턴을 확인했습니다. “이런 물결무늬가 있었어요.”
무엇이 이 리드미컬한 흐름을 주도할 수 있을까요? 연구자들은 혈관을 수축시키는 신경전달물질인 노르에피네프린을 생각했습니다. “노르에피네프린은 혈류를 조절하는 것으로 매우 잘 알려져 있습니다.”라고 Nedergaard는 말했습니다. 그들은 혈관의 수축과 이완이 주변 뇌척수액에 충분한 힘을 가해 뇌 조직을 통해 밀어낼 수 있다고 생각했습니다.
Natalie Haugland가 주도한 연구에 따르면 노르에피네프린 펄스는 비REM 수면 중에 뇌를 통해 뇌척수액을 펌핑하는 데 도움이 되는 것으로 나타났습니다.
비요른 시구르드손
게다가 NREM 수면 중에는 노르에피네프린 수치가 리드미컬하게 변합니다. 이 신경 전달 물질은 뇌 조직을 통한 뇌척수액의 물리적 움직임과 수면 중에 발생하는 "세뇌"라는 가설을 서로 연결하는 데 도움이 될 수 있습니다.
연구팀은 신경전달물질 생산을 켜고 끌 수 있는 쥐를 설계했습니다. 노르에피네프린 수치가 올라가면 뇌의 뇌척수액의 양도 늘어나는 것으로 나타났는데, 이는 뇌척수액의 흐름이 어떻게든 바뀌고 있음을 시사합니다.
그런 다음 혈관의 펌핑이 CSF를 움직일 수 있는지 테스트하기 위해 팀은 직접 조작할 수 있는 혈관벽을 가진 쥐를 조작했습니다. 자연스럽게 발생하는 것처럼 혈관을 천천히 펌핑하는 대신 벽을 빠르게 움직였습니다. 50초에 한 번이 아니라 10초에 한 번씩. "이렇게 하면 뇌 한쪽의 뇌척수액 흐름이 증가했습니다"라고 Haugland는 말했습니다. "매우 국소적이었습니다... 뇌의 다른 모든 곳에서도 마찬가지였습니다."
Nedergaard, Haugland 및 공동 연구자의 경우 이번 발견은 노르에피네프린, 혈관의 물리적 움직임 및 뇌의 뇌척수액 흐름을 하나로 묶습니다. Nedergaard는 또한 이 결과가 깨어 있을 때보다 수면 중에 뇌 배수가 더 많이 일어난다는 자신의 그룹이 이전에 발견한 것과 일치한다고 주장합니다.
Nedergaard는 “우리는 글림프 시스템이 주로 우리가 오랫동안 잠을 잘 때 작동하는 이유를 찾고 있었습니다.”라고 말했습니다. "이 논문의 내용은 다음과 같습니다. 이제 우리는 잠잘 때 뇌를 세척하는 방법의 원동력이나 원동력을 찾았습니다."
그러나 이론을 비판하는 사람들에게는 여전히 열린 공간이 너무 많습니다.
압력을 받고 있는 상황
UCSF 의과대학의 McDonald는 이 작업이 복잡하고 복잡한 방법이 많이 필요하다는 점을 지적했습니다. 그러나 그는 Nedergaard가 시스템이 실제로 어떻게 작동하는지 알아내려고 노력하기보다는 자신의 가설에 대한 설명을 추구하는 거꾸로 작업하고 있는 것을 우려하고 있습니다. “이 논문에서는 해석이 무엇인지, 데이터가 무엇인지 명확하지 않습니다.”라고 그는 말했습니다. "아주 초기에는 그들의 해석이 실제 데이터를 대체합니다." 예를 들어 그는 지원되지 않는 흐름 역학을 보여주는 회로도를 지적했습니다.
Proulx는 추적 염료가 활성 힘을 통해 움직이는지 여부에 대해 의문을 제기했습니다. 분자는 너무 작아 확산에 의해 이동할 수 있다고 그는 말했다. 그는 Nedergaard 연구실에서 이전에 사용했던 기술을 사용하여 큰 분자를 뇌척수액에 주입하는 실험을 상상합니다. 노르에피네프린의 리드미컬한 방출이 뇌 표면의 센서에 더 큰 추적자가 도달하는 것과 상관관계가 있다면 그것은 흥미로운 발견이 될 것입니다. “그게 내가 보고 싶었던 것입니다.”라고 그는 말했습니다. 그의 눈에는 지금까지 연구실에서 보여준 것보다 체액 흐름과 노르에피네프린 사이의 연결이 더 명확해졌을 것입니다.
Nedergaard의 연구에 대한 비판은 부분적으로 강력합니다. 왜냐하면 이 아이디어가 현재 뇌의 뇌척수액 흐름에 대한 가장 두드러진 가설이기 때문입니다. 다른 연구자들이 테스트할 수 있는 다른 아이디어를 소개할 수 있다면 상황은 바뀔 수 있습니다. 또 다른 문제점은 글림프 시스템에 대해 이야기할 때 모든 사람이 같은 것을 의미하는 것은 아니라는 것입니다. "어떤 사람들은 '뇌의 노폐물 수송 시스템'을 의미하기 위해 '글림프틱스'를 사용합니다. 다른 사람들은 이를 매우 구체적인 기계 모델을 의미하기 위해 사용합니다"라고 루이스는 말했습니다. "뇌에 노폐물 제거 시스템이 있고 필요하다는 것은 분명합니다.... 그것이 무엇인지, 어떻게 작동하는지 탐구하는 것은 정말 흥미롭습니다."
현재 옥스포드 대학의 박사후 연구원인 Haugland는 글림프 가설에 대한 논란을 알고 있습니다. "비평이 있습니다. 우리가 그것을 올바른 방식으로 이해하고 있는지도 모르겠습니다."라고 그녀는 말했습니다. "가설이 무엇이든 상관없이 그것이 어떻게 작동하는지 알아내기 위해 실제로 노력하는 사람들이 많을수록 이 분야를 발전시키고 우리에게 더 많은 지식을 제공하는 데 도움이 될 것입니다.
“결과는 그대로입니다. 그들은 생물학에 관해 뭔가를 보여줍니다."라고 그녀는 계속했습니다. "우리는 많은 질문을 하려고 노력하고 있지만 그것이 어떻게 작동하는지, 즉 큰 그림을 모르기 때문에 항상 질문을 잘 하지 못할 수도 있습니다."
Proulx는 뇌가 우리 두개골에서 노폐물을 제거하기 위해 무엇을 하는지에 대해 “진실을 아는 사람은 아무도 없습니다.”라고 말했습니다. “어떤 사람들은 자신이 알고 있다고 생각합니다. 그런데 우리는 모르는 것 같아요.”
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