뇌 전체 혈류량을 조절하는 '상반된 두 신경 세포군'이 존재한다는 연구 결과가 나왔다. 그동안 뇌혈류 관련 연구들은 부위나 상태에 따라 혈류 변화가 제각각이라 그 원인을 명확히 설명하지 못했다. 하지만 이번 연구를 통해 뇌 전역에서 신경 활동과 혈류가 일정한 패턴으로 연결돼 있음을 확인했다.

영국 유니버시티 칼리지 런던(ucl) 연구팀은 뇌의 신경 활동과 혈류량의 관계를 규명하기 위해 생쥐를 대상으로 기능적 초음파 영상(fusi)과 뉴로픽셀(neuropixels) 기록을 활용한 연구를 진행했다. 이번 연구는 뇌 관련 질환 연구에 유의미한 학술적 토대를 제공했다는 점에서 의미가 크다.

뇌 전역의 혈류 변화 주도하는 '상반된 두 세포군'의 조절 원리 확인
연구팀은 뇌 전체의 혈류 변화를 시각화하기 위해 기능적 초음파 영상 기술을 사용하여 생쥐 뇌의 여러 단면을 촬영했다. 동시에 수백 개의 신경 세포 활동을 실시간으로 기록할 수 있는 뉴로픽셀 프로브를 삽입하여 특정 행동이나 자극이 주어질 때 개별 세포들이 어떻게 반응하는지 관찰했다. 특히 연구진은 생쥐가 가만히 쉬거나 움직이는 등 다양한 상태에서, 깨어 있는 정도와 외부 자극 반응 수준을 의미하는 '각성(arousal) 상태'를 구분해 분석했다.

분석 결과 각성 상태에서는 뇌 전체에서 혈류 변화가 동시에 나타났으며, 이는 서로 반대로 작용하는 두 신경 세포군에 의해 조절되는 것으로 확인됐다. 뇌 속에는 각성 시 활동이 늘어나는 '각성 플러스(arousal+)' 세포군과 활동이 줄어드는 '각성 마이너스(arousal-)' 세포군이 공존하며, 서로 반대 방향으로 혈류를 조절한다. 연구팀은 이 두 세포군의 기여도를 합산한 모델을 통해 렘(rem) 수면부터 활발한 각성 상태까지 뇌 전체의 혈류량 변화를 확인했다.

'신경 세포군 혼합 비율'이 결정하는 부위별 뇌혈류의 특성
연구팀이 확인한 신경 세포와 뇌혈류 사이의 조절 원리는 여러 뇌 영역에서 공통적으로 관찰되지만, 실제 혈류 특성은 부위별로 존재하는 두 세포군의 '혼합 비율'에 따라 결정되는 것으로 나타났다. 데이터 분석 결과 활동 증가 세포군이 밀집한 '시상'과 같은 영역에서는 혈류량이 크게 상승하는 반면, 활동 감소 세포군이 우세한 '청각 피질' 등에서는 혈류 반응이 상대적으로 억제되는 양상을 보였다. 동일한 조절 기전 안에서도 연구에서 관찰된 세포군 비율 차이에 따라 부위별로 각기 다른 혈류 특성이 드러났다.

연구의 교신 저자인 아녜스 랑드마르(agnès landemard) 박사는 "연구로 확인된 두 신경 세포가 서로 다른 방식으로 뇌혈류 조절에 관여하는 것으로 나타났다"며, "기능적으로 정의된 두 신경 세포와 유전적으로 정의된 다양한 세포 유형 간의 관계를 밝히는 것이 향후 중요한 연구 방향이 될 것"이라고 강조했다.

뇌혈류 변화 지표, "뇌 검사 체계에 어떤 변화 가져오나?"
그렇다면 이번 연구가 제시한 '뇌혈류 변화 지표'는 향후 뇌 검사 체계와 뇌 관련 질환 연구에 어떤 변화를 가져올까. 이러한 발견에 대해 국내 뇌혈류 분야에서 활발히 연구를 이어가고 있는 성균관대학교 김성기 교수(ibs 뇌과학 이미징 연구단장)와 인터뷰를 통해, 이번 연구의 의의와 뇌혈류 연구의 나아갈 방향에 대해 들었다.

김 교수는 이번 발견이 뇌혈류 기전을 이해하는 중요한 이정표가 될 것으로 내다봤다. 그는 기자와의 통화에서 "그동안의 연구들이 주로 뇌의 특정 부위에서 일어나는 미세한 변화에 집중했다면, 이번 연구는 뇌 전체 상태를 결정짓는 통합적 요인이 혈류에 어떤 영향을 주는지 확인해 준 사례"라고 설명했다. 이어 "현재 널리 쓰이는 기능적 자기공명영상(fmri) 신호는 혈류 변화를 측정해 뇌 활동을 보여주는데, 이번 연구를 통해 우리가 화면으로 보는 신호가 정확히 어떤 기전에 의해 나타나는 것인지 그 근거를 더 명확히 이해할 수 있게 됐다"고 덧붙였다.

뇌 영상 분석 정밀도 고도화 가능성
그간의 뇌 영상 검사는 혈류의 변화를 측정해 뇌 활동 상태를 간접적으로 파악하는 데 그쳤다. 혈류 변화가 일어나는 신경학적 원인을 명확히 알지 못한 채 결과값에 의존해온 셈이다. 하지만 이번 연구를 통해 혈류를 대조적으로 조절하는 특정 신경 세포군이 관찰됐다.

이러한 발견은 뇌혈류 변화를 통해 fmri 등 주요 뇌 영상 지표의 분석 정밀도를 고도화하는 데 기여할 수 있다. 나아가 뇌 활동 상태를 다각도로 분석할 수 있는 새로운 참조 지표로서, 향후 뇌 관련 질환 연구에 기여할 것으로 보인다. 질환 초기 단계에서 발생하는 미세한 혈류 변화를 선제적으로 포착해 환자 맞춤형 치료 방향을 설정하는 데 도움이 될 수 있다는 설명이다.

이와 관련해 김성기 교수는 "이번 연구가 뇌 영상 데이터 해석의 정밀도를 높이고, 정밀 의료로의 확장 가능성을 시사한다"며, "확인된 뇌혈류 조절 기전은 치매나 뇌졸중 등 뇌 관련 질환의 발생 과정이나 초기 변화를 관찰하는 데 유용한 참조 지표가 될 수 있다"고 강조했다.