Address for correspondence : Chang-Hee Kim, MD, Department of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery, Konkuk University Medical Center, Konkuk University School of Medicine, 120-1 Neungdong-ro, Gwangjin-gu, Seoul 143-729, Korea
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서론

신경과학(neuroscience) 분야에서 전기생리학(electrophysiology)적 방법을 통한 신경세포연구에 의해 오랜 기간 많은 중요한 결과들이 밝혀져 왔다. 그 중에서도 1952년 Hodgkin과 Huxley에 의해 patch clamp technique이 도입된 이후로 신경과학 분야뿐만 아니라 생물학 전반의 비약적인 발전을 이루게 되었다. Patch clamp technique에 대해서는 과거에 이미 자세히 소개가 된 적이 있으므로,¹⁾ 이를 이용한 전정소뇌(vestibulocerebellum) 연구에 대해서 간단히 기술하고자 한다.

전정소뇌의 해부학 및 퍼킨지 세포

소뇌(cerebellum)는 신체의 감각 신호를 종합하고 운동의 미세조절에 관여하는 곳으로 알려져 있고, 최근 운동학습(motor learning)의 기억 저장체(memory storage)로서 심도 있는 연구가 진행되고 있으며 신경가소성(neural plasticity)의 기전을 밝히는 데 중요한 구조물로 각광을 받고 있다. 소뇌는 양쪽에 반구(hemisphere)가 있고, 그 사이를 충부(vermis)가 연결하고 있다(Fig. 1A). 소뇌충부는 그것을 시상면(sagittal plane)으로 잘랐을 때, 그 단면에서(Fig. 1B) 보이는 열구(fissure)에 의해 앞에서부터 뒤 방향으로 10개의 소엽으로 나눌 수 있다(Fig. 1B). 각각의 소엽은 각기 다른 감각정보를 받아들이며, 이 정보들은 소엽 특이적인 방식으로 해석 및 변환되어 심부소뇌핵(deep cerebellar nucleus) 또는 전정신경핵(vestibular nucleus)으로 전달된다고 알려져 있다. 소뇌 피질은 세 개의 층으로 구성되어 있는데, 바깥쪽에서부터 안쪽으로 분자층(molecular layer), 퍼킨지층(Purkinje layer), 그리고 과립세포층(granule cell layer)이 그것이다(Fig. 2). 이런 삼층구조는 소뇌반구와 소뇌충부의 전 영역에 걸쳐 일관되게 유지되어 있다. 분자층에는 퍼킨지 세포의 수상돌기(dendrite)가 발달되어 있고, 그 외 억제성인 개재뉴론(interneuron)들이 분포한다. 퍼킨지층은 말 그대로 퍼킨지 세포가 존재하는 층인데, 한 층의 퍼킨지 세포들이 일렬로 배열되어 있다. 퍼킨지 세포는 소뇌피질에서 외부로 정보를 보낼 수 있는 유일한 세포로, 그 축삭돌기(axon)는 소뇌피질을 빠져 나와 심부소뇌핵 또는 전정신경핵의 세포와 연접을 이루게 된다. 따라서 퍼킨지 세포는 소뇌가 소뇌 고유의 역할을 할 수 있도록 하는 가장 중요한 세포라고 할 수 있다. 과립세포는 그 크기가 작고, 소뇌피질에서 가장 수가 많은 세포인데, 이들이 많이 존재하는 층이 과립세포층이다. 과립세포의 축삭돌기는 평행섬유(parallel fiber)가 되어 퍼킨지 세포에 흥분성 자극을 전달하는 주된 공급원으로 작용한다.
소뇌(cerebellum)는 진화학적, 발생학적, 그리고 기능적 측면에서 세 부분의 하위 구조로 나눌 수 있다. 전정소뇌(vestibulocerebellum, archicerebellum), 척추소뇌(spinocerebellum, paleocerebellum), 대뇌소뇌(cerebrocerebellum, neo-cerebellum)가 그것인데, 각각의 하위 구조에는 서로 다른 부분에서 기인된 구심성(afferent) 신경섬유가 주로 유입되며 각 부위에서 일어나는 감각신호의 처리 또한 위치에 따라 특이적 방식으로 진행될 것으로 생각되고 있다.²⁾ 소뇌의 하위 구조 중에서 진화학적으로 가장 원시적이고, 발생학적으로 가장 먼저 성숙하는 곳이 전정소뇌이다. 전정소뇌는 전정자극의 정보를 유입 받는 소뇌의 한 부분으로 정의할 수 있는데, 편엽(flocculus), 복측 부편엽(ventral paraflocculus), 소절(nodule), 그리고 복측 목젖(ventral uvula) 등으로 구성되어 있으며, 전정신경핵과 밀접하게 구심성 및 원심성 연결을 가지며 전정기능의 미세조절에 관여한다. 퍼킨지 세포는 소뇌피질에서 외부로 신경섬유를 보내는 유일한 세포인데, 흥분성 구심 정보를 두 가지 경로를 통해서 전달받는다. 평행섬유와 등상섬유(climbing fiber)가 그것인데, 전정소뇌 퍼킨지 세포의 경우, 내이 전정기관에서 기원하는 일차전정구심(primary vestibular afferent) 신호와 전정신경핵에서 기원하는 이차전정구심(seondary vestibular afferent) 신호가 태상섬유(mossy fiber)를 따라 과립세포에 전달되고, 여기서 기시하는 평행섬유를 경유하여 퍼킨지 세포의 수상 돌기로 유입된다(mossy fiber→granule cell →parallel fiber→Purkinje cell). 하나의 태상섬유는 많게는 600개의 과립세포와 신경연접(synapse)을 이룬다. 과립세포의 축삭돌기는 소뇌 피질의 분자층으로 올라가 두 갈래로 갈라져 평행섬유가 되어 내외측(medio-lateral) 방향으로 주행하는데, 동물연구에서 평행섬유의 길이는 약 4.7 mm로 200에서 1000개의 퍼킨지 세포의 수상돌기와 연접을 이룬다고 알려져 있다.³⁾ 한편, 하나의 퍼킨지 세포는 많게는 150000개의 평행섬유와 연접을 이루는 것으로 알려져 있다.³⁾ 이처럼 전정신호는 여러 번의 연접을 거치면서 발산과 수렴의 과정을 거쳐 복잡한 형태로 퍼킨지 세포에 전달된다. 일부의 일차전정구심섬유는 뇌간으로 유입되기 직전에 두 갈래로 갈라져, 하나는 전정신경핵으로 나머지 하나는 동측의 전정소뇌로 향한다. 전정자극 신호 중에서 이석기관(otolith organ)으로부터의 정보는 주로 전정소뇌의 목젖(uvula)으로 들어가고, 세반고리관(semicircular canal)의 신호는 주로 소절(nodulus)로 들어간다고 알려져 있다.⁴⁾ 또한 일차전정구심섬유가 전정소뇌로 바로 연결되는 경우, 즉 일차전정구심섬유 자체가 태상섬유를 형성할 경우는 동측의 전정소뇌로만 연결이 된다고 알려져 있다. 이와는 달리 이차전정구심섬유는 전정신경핵으로부터의 전정신호를 양측의 전정소뇌로 전달한다고 알려져 있다. 퍼킨지 세포로 전정구심정보가 전달되는 두 번째 경로는 등상섬유를 통해서인데, 등상섬유는 반대측 하올리브핵(inferior olive)에서 기시한다.^5,6) 내외측 방향으로 길게 분포한 평행섬유와는 다르게, 등상섬유는 소뇌피질의 시상면부위(sagittal zone) 상의 매우 한정된 부위에서만 퍼킨지 세포와 연접을 이룬다. 등상섬유의 말단부는 퍼킨지 세포의 세포체와 수상돌기의 일부를 여러 번 감싸고 있는 형태를 하기 때문에, 하나의 퍼킨지 세포에 다수의 신경연접을 형성하게 된다. 따라서 등상섬유의 자극은 하나의 퍼킨지 세포의 많은 이온채널을 활성화 시켜 특징적인 복합파형(complex spike)을 형성한다. 이런 등상섬유의 활성빈도(discharge frequency)는 전정소뇌, 특히 편엽(flocculus) 부위에서 안운동자극(optokinetic stimulation)의 방향과 속도를 잘 반영하는 것으로 알려져 있으며,⁶⁾ 소절(nodulus)과 목젖(uvula)에서는 말초전정기관 특이성과 그 자극 속도를 부호화하는 것으로 알려져 있다.⁷⁾ 등상섬유를 통해 목젖(uvula)과 소절(nodulus)로 전달되는 전정자극신호는 반대편의 부전정신경핵의 하나인 베타핵(β-nucleus)과 하올리브핵 내의 dorsomedial cell column에서 유래한다. 요약하면, 전정소뇌로 들어오는 일차전정구심섬유 기원의 태상섬유는 동측 말초전정기관의 신호를, 등상섬유는 반대측 말초전정기관의 신호를 받음을 알 수 있는데, 이런 상호 보완적인 구심신호유입 패턴은 생리학적 연구에 유용한 이점을 제공하기도 한다.

전정소뇌연구의 전기생리학적 연구방법

전정소뇌에 대한 현재까지의 전기생리학적 연구는 크게 in vivo 연구와 in vitro 연구로 나누어 볼 수 있다. In vivo 연구는 동물행동실험(behavior study)과 동시에 이루어지는 것이 일반적인데, 실험동물의 전정소뇌 부위에 전극을 삽입한 상태에서 회전자극을 주어 전정소뇌의 퍼킨지 세포, 또는 과립세포에서 전기생리학적 반응을 보는 연구를 예로 들 수 있다. 이런 in vivo 연구는 평행섬유와 등상섬유로부터 동시에 연접을 받고 있는 퍼킨지 세포에서 주로 행해져 왔는데, 퍼킨지 세포를 중심으로 일어나는 일련의 신경 가소성(neural plasticity) 현상을 관찰하고 이를 운동학습(motor learning)에 적용시키려는 연구가 많이 진행되고 있다.^8,9,10) 전정소뇌가 전정안반사(vestibulo-ocular reflex)의 학습 현상을 조절하는 것으로 알려지면서,¹¹⁾ 전정안반사와 직접적인 신경 연결을 가지는 편엽(flocculus)의 퍼킨지 세포에서의 전기 생리학적 거동에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다.^12,13,14,15) In vitro 연구는 뇌조직의 슬라이스를 얻거나 세포를 배양해서 patch clamp 또는 field potential을 측정하는 방법으로 하는 실험이라고 할 수 있다. 하지만 in vivo 또는 in vitro 방법 중 어느 한 가지 만으로는 훌륭한 연구결과를 얻는 데 많은 제한점을 가진다. Patch clamp technique을 이용해 전세포(whole cell)를 유도하여, 세포의 전기생리학적 활성을 보는 것은 그 세포 자체가 가지는 고유의 흥분성(intrinsic excitability)을 확인하는 데 매우 유용한 방법이므로 이에 대해 간략히 소개하겠다.
먼저 실험에 적합한 퍼킨지 세포를 얻기 위해, 소뇌충부의 시상면 뇌절편이 필요하다. Isoflurane으로 호흡 마취를 유도한 후 두개골을 제거한 다음 소뇌를 적출한다. 적출된 소뇌는 방정중(paramedian) 시상면으로 소뇌충부 부분을 300 μm 두께의 절편으로 만드는데, 이 절편의 단면은 모든 부위에서 소뇌피질의 세 층(분자층, 퍼킨지층, 과립세포층)이 잘 관찰된다. 이 모든 과정은 절편의 퍼킨지 세포 상태를 최적의 상태로 유지하기 위해 4℃ 상태의 95% O₂와 5% CO₂의 혼합기체가 포화되어 있는 인공 뇌척수액(artificial cerebrospinal fluid) 속에서 진행되고, 만들어진 절편은 35℃의 인공 뇌척수액 속에서 30분간 항온처리 한다. 사용한 인공 뇌척수액의 조성은 다음과 같다; 124 mM NaCl, 2.5 mM KCl, 1 mM Na₂HPO₄, 1.3 mM MgCl₂, 2.5 mM CaCl₂, 26.2 mM NaHCO₃ and 20 mM D-glucose.
항온처리를 마친 뇌조직 절편을 현미경의 제물대 위에 옮긴 후, 인공 뇌척수액을 2 mL/min의 속도로 공급해주며 patch clamp를 진행한다. 이때 퍼킨지 세포 자체의 세포막 흥분성을 측정하기 위해 인공 뇌척수액에 100 μM의 picrotoxin과 1 mM의 kynurenic acid를 첨가하여 GABA와 glutamate 분비에 의해 일어나는 시냅스 전도를 차단한다. 기록용으로 사용하는 유리 전극 안에는 세포내액과 동일한 조성을 맞춘 용액을 사용한다. 실험의 종류에 따라서 막전압 고정법(voltage-clamp mode)과 막전류 고정법(current-clamp mode)을 사용할 수 있다. 소뇌충부 뇌절편에서 전정소뇌에 해당하는 소절(nodulus) 및 복측목젖(ventral uvula)을 확인한 후, 이 부분의 퍼킨지 세포에서 patch clamp technique을 이용해 세포의 흥분성을 기록한다(Fig. 3).

전정소뇌 퍼킨지 세포의 전기생리학적 흥분성

퍼킨지 세포의 막전압을 과분극(-70 mV) 시킨 후, 인위적으로 전류를 주입시켜 나타나는 활동전압(action potential)의 지속 패턴을 살펴보면, 과거에 전정소뇌 이외의 부위에서 일반적으로 알려진 패턴보다 더 다양한 형태로 활동전압이 지속되는 것을 전정소뇌에서 확인할 수 있다(Fig. 4).¹⁶⁾ 전정소뇌의 퍼킨지 세포는 네 종류의 활동 전위 발화 패턴을 보이는데, tonic firing 세포는 저분극 전류가 주입되는 동안 정형적이며 반복적인 활동 전위를 보인다. 이 세포들은 더 큰 저분극 자극에 반응하여 활동전위가 더 높은 주파수로 발화하는 특징이 있다. Complex bursting 세포는 작은 저분극 전류에 의해서는 Na⁺ spike를 보이지만 저분극 전류의 세기가 점점 증가함에 따라서 Na+ spike의 발현이 줄어들고 이어서 Ca²⁺-Na⁺ burst가 관찰되었다. 각각의 Ca²⁺-Na⁺ burst는 Na⁺ spike가 몇 개 이어지다가 Ca²⁺ spike로 끝나게 되는데, 이때의 Ca²⁺ spike에 의해 세포막이 과분극 상태에 이르게 되고 이로 인하여 Na⁺ 이온 통로의 불활성기가 풀리면서 이와 같은 Ca²⁺-Na⁺ burst가 반복된다. 전정소뇌가 아닌 다른 부위의 소뇌조직을 이용한 이전의 연구들에서 위에서 기술한 두 가지 발화 패턴은 이미 보고가 되었다.^17,18,19) Initial bursting 세포는 저분극 전류의 주입 초기에만 하나, 혹은 몇 개의 활동 전위만 보이고 나머지 저분극 전류 주입 동안에는 활동 전위를 보이지 않는 형태를 가진다. 이런 발화 형태는 소뇌 배양 조직(oganotypic culture)에서의 퍼킨지 세포에서 관찰된 보고는 있었지만^20,21) 급성 상태로 제작된 소뇌 조직에서는 아직까지 보고된 바가 없었다. Gap firing 세포는 저분극 전류의 주입과 세포의 활동 전위 발생 간의 지연(delay) 현상이 보이는데 이런 지연 현상은 저분극 전류의 크기가 점점 증가함에 따라서 짧아지다가 결국에는 없어지고 위에서 기술한 tonic firing 세포와 비슷한 형태의 활동 전위 발사 형태를 보이게 된다. 이와 같은 특이적 발사 형태는 몇몇 다른 중추 신경계의 신경세포에서 관찰되었지만^22,23) 소뇌에서는 오로지 전정소뇌에서만 발견되는 것으로 알려져 있다.¹⁶⁾ 수평 방향의 원운동 가속도에 반응하는 개구리 전정소뇌의 퍼킨지 세포의 전기적 활동성이 보고된 논문에서 생리학적인 자극조건에서도 전정소뇌의 퍼킨지 세포가 네 가지 형태로 나눠짐을 기술하였다.²⁴⁾ 실험 조건이나 실험에 사용된 동물의 차이는 있지만 네 가지가 서로 구별되는 흥분 발사 형태를 보인 이번 실험 결과와 잘 일치한다고 볼 수 있다. 이처럼 전정소뇌에서 다양한 활동전압 발사 패턴을 보이는 것은, 다양한 전정신호에 대해 시간적으로 정확한 반응을 효율적으로 조절하기 위한 것으로 해석할 수 있다.¹⁶⁾
저분극 전류를 적절히 주입하여 퍼킨지 세포의 활동전압 빈도를 1초당 20회 가량으로 유발시켜 이를 저빈도발사(low-frequency firing)로 정의하고, 저분극 전류를 계속 높여 Na+ channel의 불응기를 유발하기 직전의 상태를 고빈도발사(high-frequency firing)로 정의한 후, 활동전압이 순차적으로 진행될 때 활동전압 간 간격(interspike interval)을 살펴보면 흥미로운 사실을 확인할 수 있다(Fig. 5). 일반적으로 신경세포는 저분극 전류 주입에 의해 활동전압이 지속적으로 나타남에 따라 점점 활동전압 간 간격이 넓어지는 경향이 있는 것으로 알려져 있다. 척추소뇌(소뇌충부 소엽 3, 4, 5)에서는 다른 일반적인 신경세포에서와 마찬가지로 활동전압 간 간격이 점점 넓어지는 경향이 관찰된 반면, 전정소뇌에서는 저빈도발사(Fig. 5A)와 고빈도발사(Fig. 5B)에서 모두 활동전압의 진행에 따라 그 간격이 넓어지지 않고 거의 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.²⁵⁾ 이는 전정자극이 지속적으로 들어오는 상황에서도 전정소뇌에 의한 그 반응의 조절은 큰 변화 없이 등장성으로(tonically) 일어날 것임을 시사한다고 할 수 있다.

결론

위에서 기술한 바와 같이 전정소뇌의 퍼킨지 세포는 소뇌 다른 부위의 세포와는 구별되는 전기생리학적 특징을 가지고 있다. 특히, 자극에 대해 다양한 패턴의 활동전위 발화로 반응하지만, 지속되는 자극에 따라 활동전위들 사이의 간격이 길어지는 양상은 관찰되지 않는다. 이는 실제 in vivo 상에서 기능적으로 중요한 역할을 할 것으로 짐작할 수 있으나, 실제 전정자극에 대해 어떤 식으로 전정소뇌의 활성이 변화하며 반응할지에 대해서는 제한된 정보만을 제공한다. 따라서 전체 전정계(vestibular system)를 구성하는 신경회로의 기능적 상호연결을 정확히 이해하고, 이들의 실제 전정자극에 따른 신호처리에 대한 지식을 얻기 위한 연구가 필요한 실정이다.

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