최근 두 편의 논문에 따르면 뇌 발달의 중요한 초기 시기에 장내 미생물군(그 안에서 자라는 다양한 박테리아)이 나중에 인생에서 사회적 기술에 중요한 뇌 시스템을 형성하는 데 도움이 되는 것으로 나타났습니다. 과학자들은 이러한 영향을 어류에서 발견했지만, 분자 및 신경학적 증거에 따르면 인간을 포함한 포유류에서도 이러한 영향이 일부 발생할 수 있음이 타당하게 제시됩니다.
PLOS Biology에 11월 초에 발표된 논문에서 연구자들은 장내 미생물이 부족하게 자란 얼룩말 물고기가 식민지화된 결장을 가진 동료에 비해 훨씬 덜 사회적이며 뇌의 구조가 그 차이를 반영한다는 것을 발견했습니다. BMC Genomics 관련 기사 9월 말, 그들은 장내 세균의 영향을 받는 뉴런의 분자적 특성을 설명했습니다. 이러한 뉴런과 동등한 것이 설치류에서 나타나며, 이제 과학자들은 인간을 포함한 다른 종에서도 이를 찾을 수 있습니다.
최근 수십 년 동안 과학자들은 장과 뇌가 강력한 상호 영향을 미친다는 사실을 이해하게 되었습니다. 예를 들어, 특정 유형의 장궤양은 파킨슨병 환자의 증상 악화와 관련이 있습니다. 그리고 임상의들은 ADHD나 자폐 스펙트럼 장애와 같은 신경발달 장애가 있는 사람들에게서 위장 장애가 더 흔하다는 사실을 오랫동안 알고 있었습니다.
이번 연구에는 참여하지 않았지만 뉴욕대학교 Langone Health의 소아 위장병 전문의인 Kara Margolis는 "뇌가 장에 영향을 미칠 뿐만 아니라 장이 뇌에도 큰 영향을 미칠 수 있다"고 말했습니다. 그러나 해부학적으로 분리된 이러한 기관이 어떻게 효과를 발휘하는지는 훨씬 덜 명확합니다.
오레곤 대학교 분자생물학자이자 이번 연구의 주요 공동 저자 중 한 명인 필립 워시본(Philip Washbourne)은 20년 넘게 자폐증과 사회적 행동 발달과 관련된 유전자를 연구해 왔습니다. 그러나 그와 그의 연구실은 사회적 행동을 나타내면서도 원래 사용하던 쥐보다 번식이 더 빠르고 쉬운 새로운 모델 유기체를 찾고 있었습니다. “물고기에서도 할 수 있나요?” 그는 이렇게 생각했던 것을 회상합니다. "정말 정량적으로 접근하여 물고기가 얼마나 친근감을 느끼는지 측정할 수 있는지 알아보겠습니다."
무균 생선
유전학 연구에도 널리 사용되는 얼룩말 물고기는 번식 속도가 빠르고 자연적으로 사회적입니다. 생후 2주가 지나면 물고기 4~12마리가 떼를 지어 생활하기 시작합니다. 또한 성체가 될 때까지 투명하기 때문에 연구자들은 해부하지 않고도 내부 발달을 관찰할 수 있습니다. 이는 생쥐와 같은 포유류 모델에서는 거의 불가능한 일입니다.
연구팀은 장내 미생물이 부족하도록 사육된 "무균" 얼룩말 물고기 계열의 배아를 실험하기 시작했습니다. 작은 물고기가 부화한 후, 연구자들은 즉시 그 중 일부에 건강한 장내 세균을 접종했습니다. 그러나 그들은 남은 물고기를 접종하기 전에 일주일을 기다렸고 백지 상태에서 개발을 시작해야 했습니다.
태어날 때 접종된 물고기는 대략 15일 만에 예정대로 바로 떼를 짓기 시작했습니다. 그러나 무균 물고기가 시작되었을 때 "놀랍게도 그들은 그것을 하지 않았다"고 오레곤 대학교의 신경과학자이자 새로운 연구의 공동 저자인 Judith Eisen이 말했습니다. 물고기에게 장내 미생물을 소급하여 투여했음에도 불구하고 물고기는 동료와 동일한 사회적 발전 이정표를 달성하지 못했습니다.
Eisen, Washbourne 및 그들의 팀은 물고기의 뇌를 조사했을 때 명백한 구조적 차이를 발견했습니다. 미생물군집 없이 생후 첫 주를 보낸 물고기에서는 사회적 행동에 영향을 미치는 특정 전뇌 뉴런 클러스터가 더 많은 상호 연결을 보여주었습니다. 또한 이 클러스터에는 뇌의 잔해를 청소하는 역할을 하는 신경 면역 세포인 소교세포가 훨씬 적었습니다. “이것은 신경계의 크고 중요한 변화입니다.”라고 Eisen은 말했습니다. “나에게는 엄청난 일이다.”
특수 실험용 탱크에서 수영하는 얼룩말 물고기의 경로를 선으로 추적합니다. 정상적인 미생물 군집으로 자란 물고기는 반대편 물고기 근처에 머물기 위해 대부분의 시간을 투명한 칸막이 근처에서 보냈습니다. 첫 주 동안 "무균"이었던 물고기는 덜 사교적이었고 더 무작위로 헤엄쳤습니다.
사무엘 벨라스코/Quanta 매거진; 출처:doi.org/10.1371/journal.pbio.3001838
연구팀은 건강한 장내 미생물군집이 어떻게든 제브라피시 뇌에서 미세아교세포가 번성할 수 있게 한다는 가설을 세웠습니다. 그런 다음 특정 중요한 발달 기간 동안 소교세포는 유지 관리 직원처럼 행동하여 뉴런에서 거칠게 갈라지는 "팔"을 가지치기합니다. 다시 다듬어줄 소교세포가 없으면 무균 물고기의 사회적 뉴런은 관리되지 않은 가시덤불처럼 엉키고 무성해졌습니다.
장내 미생물이 물고기의 발달 중인 뇌에 신호를 보내 이러한 효과를 생성하는 방법은 명확하지 않습니다. 박테리아는 엄청난 양의 화학 물질을 방출하며 이론적으로 충분히 작은 화합물은 혈액 뇌 장벽을 통과할 수 있습니다. 그러나 장과 뇌 사이를 이동하는 면역 세포가 신호 분자를 운반하거나 특정 신호가 미주 신경을 따라 장에서 위로 이동하는 것도 가능합니다.
다양한 사회성
인간을 포함한 다른 척추동물의 사회적 발달에도 유사한 메커니즘이 작용할 수 있습니다. 사회 집단화는 동물계 전반에 걸쳐 공통된 생존 전략입니다. 새로운 연구에는 참여하지 않았지만 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 연구 생물학자인 리비아 헤케 모라이스(Livia Hecke Morais)는 "이것은 진화 전반에 걸쳐 더 잘 보존된 행동 중 하나입니다."라고 말했습니다.
실제로 Washbourne과 Eisen은 이전에 쥐에서 거의 동일한 사회적 뉴런을 확인했습니다. “물고기와 쥐 사이에서 동일한 세포 유형을 찾을 수 있다면 아마도 인간에서도 동일한 세포 유형을 찾을 수 있을 것입니다.”라고 워시본은 말했습니다.
