네이처에 실린 아이와이어의 최초 과학적 발견

 

2014년 5월 4일 EyeWire’s First Scientific Discovery and Nature Paper 블로그의 번역 입니다. 2014년 아이와이어 위키에 있던 번역을 일부 수정하여 블로그 양식에 맞춰 다시 올리게 되었습니다.

네이처 저널에 실린 아이와이어의 첫 과학적 발견을 오늘 여러분과 나누게 되었습니다!

왜 중요한가요?

이 발견은 여러분이 없이는 가능하지 않았을 것입니다! 시민 과학자들과 게임 플레이어들 모두 함께 신경과학 분야에 큰 공헌을 했습니다. 우리는 포유동물이 어떻게, 그것이 보고 있는 무언가가 특정한 방향으로 움직이는지를 알게 되는지에 대한 기전 중 하나를 발견했습니다. 신경과학자들은 이를 방향 선택성(direction selectivity)이라고 부릅니다. 비록 이 성질은 듣기에는 쉬운 것 같지만, 50여년전 방향 선택성이란 개념이 처음 발견되었을 때부터 지금껏 그 기전은 명확하지 않았습니다.

여기서 초록을 읽거나 이 링크를 클릭하시면 아이와이어 플레이어 공저자들의 목록을 확인하실 수 있습니다.

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성화상 무축삭 세포(SAC)를 재구성한 아이와이어 플레이어들 (위 이미지 상단 내용 번역) 2013년 12월 20일 현재, 적어도 한 개의 챌린지 큐브(Challenge cube)를 제출했던 1,557명의 아이와이어 플레이어들 중 662명의 아이와이어 플레이어들이 스타버스트 챌린지(Starburst Challenge)를 통과했습니다. 총 2,183명의 아이와이어 플레이어가 SAC 수지상 세포(SAC dendrites)를 재구성하는 데 기여했습니다. 이 숫자는 큰 것인데, 스타버스트 큐브의 작은 일부는 스타버스트 챌린지(Starburst Challenge)가 생기기 전에 기여한 플레이어들로부터 온 것이기 때문입니다. 아래는 제출된 큐브 수를 포함하는 2,183명의 사용자명 목록입니다.

 

우리가 무엇을 했나요?

우선 당신의 기여를 알아보겠습니다. 아이와이어 커뮤니티는 거의 150개국, 12만명의 플레이어가 참여하는 커뮤니티로 자라났습니다. 아이와이어 플레이어들은 지금까지 도합 100개 이상의 신경세포를 재구성했습니다. 이들 세포 중 29개의 “Off”-타입의 스타버스트 뉴런이 이 논문에 사용되었습니다(off-타입이라는 것은 이들 세포가 암자극(dark stimuli)에 반응한다는 뜻입니다). 이들은 스타버스트 챌린지(Starburst Challenge)를 통과한 엘리트 플레이어들에 의해 재구성되었습니다. 나머지 세포들은 향후의 프로젝트에 사용될 것입니다.

 

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그림 1: 인간의 눈과 망막, 다섯 겹으로 된 두뇌의 연장이자 바깥 세상으로의 통로. 그림 제공: http://webvision.med.utah.edu/

 

성화상 세포(Starbursts)

“성화상 세포(Starburst)”는 “성화상 무축삭 세포(starburst amacrine cell)”의 줄임말입니다. 이것은 다양한 종류의 무축삭 세포의 일종입니다. 다른 종류의 세포들도 있습니다. 가령, 광수용체(Photoreceptors)는 빛을 신경신호로 바꿔주는 역할을 하는 세포입니다. 양극성 세포(Bipolar cell)는 광수용체로부터 자극을 받아 그것을 무축삭 세포와 신경절(ganglion)에 대한 신호로 전달합니다(“양극성(Bipolar)”이란 이들 세포의 가지들이 두 개의 상반된 방향 또는 “극(pole)”을 향한다는 뜻입니다. 양극성 장애(bipolar disorder)와는 상관이 없습니다). 무축삭 세포는 다른 양극성 세포들, 신경절들, 심지어 다른 무축삭 세포들과 연결을 하여 신경 네트워크를 보다 복잡하게 만듭니다. 마지막으로, 신경절 세포들이 망막의 출력 세포에 해당됩니다. 신경절 세포들은 양극성 세포와 무축삭 세포들로부터 정보를 받아 시신경을 구성하고 두뇌로 연결되는 그들의 축삭돌기(axon)를 통해 정보를 출력합니다. 그러나 이런 과정은 대충 묘사한 것에 지나지 않습니다. 앞서 언급된 각 세포들은 더 다양한 종류들이 있으며 어떻게 연결되는지에 대해서는 거의 아는 바가 없습니다. 이 연구가 있기 전까지 우리는 성화상 무축삭 세포가 얼마나 많은 양극성 세포들을 파트너로 삼고 있는지 거의 알지 못했습니다.

이러한 구조를 염두에 두고 망망에서 어떤 일이 일어나는지, 동물이 무언가를 볼 때 어떻게 신호가 성화상 무축삭 세포에 도달하는지를 생각해 봅시다. 어떤 물체(빛을 받아서 차별화되어 나타나는 것들)가 동물의 시야의 한 점에 존재할 때 해당 부위에 존재하는 광수용체가 활성화됩니다. 각각의 광수용체 밑에는 아마도 다양한 종류의 몇몇의 양극성 세포가 연결되어 광수용체로부터 신호를 받게 됩니다. 이번에는 양극성 세포들이 그들 밑에 있는 성화상 무축삭 세포에 연결되어 신호를 전달하게 됩니다. 다른 종류의 양극성 세포들은 서로 다른 방식으로 신호를 보내게 됩니다. 다른 종류의 세포들이 다른 방식을 이용하는 것이 왜 중요한지는 곧 다루도록 하겠습니다.

 

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그림 2: 스타버스트 뉴런 가지(붉은색)와 세 개의 양극성 세포(파란색과 초록색)가 예시로 나와있습니다. 이 스타버스트에는 보다 많은 양극성 세포가 연결되어 있습니다. 그림 제공: Alex Norton

 

우선 스타버스트에 대한 알려진 기능 두 가지를 보면:

1. 성화상 무축삭 세포는 무축삭 계열에 속합니다. – “아마크린(amacrine)”이란 그리스어로 “축삭돌기가 없는”이란 뜻입니다. 이들은 교과서에 나와있는 그런 신경세포들과는 차이가 있습니다. 그들은 축삭돌기가 없습니다. 신호를 받는 가지와 내보내는 가지 사이에 구분이 없으며 신호를 받는 것과 내보내는 것이 한 가지 안에서 이루어집니다. 또한 다른 작동 기전을 가지고 있습니다. 교과서에 나오는 신경세포들은 어느 주어진 순간에 받아들여진 신호의 총합이 충분히 큰 경우에만 신호를 퍼뜨리게 됩니다. 그리고 신호가 출력되는 것은 켜지거나 꺼지거나 둘 중 하나로, 디지털 신호처럼 작동을 합니다. 무축삭 세포와, 당연히 성화상 무축삭 세포는, 그와는 달리 아날로그와 같은 신호를 출력하게 됩니다. 출력 신호는 세기가 강할 수도 있고 약할 수도 있습니다. 출력 신호의 강도는 입력 신호의 총합의 강도에 달려있습니다. 스타버스트의 가지는 그가 받는 입력 신호의 총합에 따라 신호를 모아 내보내게 됩니다.

2. 그리고 하나의 독립적인 단위로 작동하는 이런 개별적인 스타버스트의 가지는 방향 선택적입니다. 아래의 그림 3에 나오는 것처럼, 시각적 자극이 가지를 따라 세포체로 향할 때 보다 세포체부터 멀어질 때 강한 신호를 하위로 전달합니다. 가령 예를 들어 당신이 치즈로 가득 찬 세상을 생각하며 하늘을 바라보고 있는 생쥐라고 해봅시다. 당신은 문득 오리가 날아오르는 것을 봅니다. 오리의 움직임은 시간에 따른 일련의 당신의 망막을 가로질러 움직이는 자극의 형태로 나타나게 됩니다. 위에서 우리는 망막의 한 점에 자극이 주어질 때 어떤 일이 일어나는지를 살펴보았습니다. 이제 그 자극은 망막 위에서 점차 움직입니다. 대기하고 있던 일련의 광수용체들이 순차적으로 활성화되고, 하위의 양극성 세포로 신호를 전달하며 그 다음 starburt 세포들로 전달됩니다. 다시 말해 성화상 무축삭 세포의 가지가 대기하고 있던 일련의 광수용체로부터 순서에 따라 시작된 신호를 받습니다. 그러나 오직 그 순서의 방향이 세포체로부터 멀어지면서 끝(tip)을 향할 때만 성화상 무축삭 세포의 가지는 강한 신호를 하위의(post-synaptic) 신경세포에 전달하게 됩니다.

어떻게 이런 일이 가능할까요? 어떻게 양극성 세포의 순차적 활성이 성화상 무축삭 세포의 강한 신호로 바뀌게 되는 걸까요? 바로 여기에 서로 다른 종류의 양극성 세포들이 작용하게 되는 것입니다.

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그림 3: 시작적 자극이 세포체로부터 멀어지고 있을 때 성화상 무축삭 세포의 가지가 강한 신호를 하위의 신경세포로 전달하고 있습니다.

 

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그림 4: 스타버스트와 양극성 세포 지역을 위에서 봄(Field of starbursts and bipolar cells, top view). 그림 제공: Alex Norton

 

회로를 완결하다

우리는 이 질문에 대해 아이와이어로부터 재구성된 세포들을 분석함으로써 답변을 제시했습니다. 우리는 80개의 “Off” 성화상 무축삭 세포(이중 29는 아이와이어 플레이어들에 의해 밝혀졌습니다) 세포들과 성화상 무축삭 세포와 연결할 가능성이 있는 다수의 “Off” 양극성 세포들을 분석했습니다. “Off” 양극성 세포들은 적어도 서로 다른 다섯 종이 존재합니다(그림 5). 분석을 통해 우리는 다른 종류의 양극성 세포들이 성화상 무축삭 세포의 다른 부위에서 시냅스(synapse)를 형성한다는 것을 알아냈습니다.

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그림 5: 다섯 종류의 양극성 세포들. 그림 제공: Alex Norton

 

가령 Type 2의 경우, 성화상 무축삭 세포체에 근접하게 시냅스를 형성하는 경향이 있습니다. Type 3a의 경우는 이와는 정반대로 그림 6과 7에 나오는 것처럼 가지의 먼 부위에 시냅스를 형성합니다. 다른 종류들은 이들 두 종류에 비해서 적은 수의 시냅스를 형성합니다. 이것은 성화상 무축삭 세포에 대해 비슷한 연결을 갖는 모든 양극성 세포에 대한 놀라운 발견입니다. 더 흥미로운 것은 이들 두 종류가 쌍을 이루는 위치에 관해 각각의 선호도가 있다는 사실입니다. 그렇다면 이것이 어떻게 방향 선택성이라는 결과를 가져오는 걸까요?

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그림 6. 성화상 무축삭 세포에 신경접합한 양극성 세포들의 상대적 위치. 왼쪽, 양극성 Type 2. 오른쪽, 양극성 Type 3a. 몇 개의 양극성 세포들만 시각화를 위해 나타나있음. 사진 제공: Rachel Prentki

 

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그림 7: 그림 6에 나온 것과 같은 Type 2 (보라색), Type 3a (분홍색) 양극성 세포들이 동일한 성화상 무축삭 세포상에 있는 모습.사진 제공: Rachel Prentki

 

아이와이어 커뮤니티가 이들 세포들을 밝혀내는 동안, 한 연구 그룹이 양극성 세포에 대한 멋진 사실을 최근 밝혀냈습니다. Type 2 양극성 세포가 멋진 시간지연(time delay) 기능을 가졌다는 것을 밝혀낸 것입니다. 신호가 Type 2 세포를 통과하는 데 걸리는 시간이, 가령 Type 3a양극성 세포보다 더 오래 걸린다는 것입니다. 두 개의 신호가 각각 Type 2 양극성 세포와 Type 3a 세포에 동시에 전달되었다고 가정해 봅시다. 위에 언급된 지연으로 인해 두 개의 출력 신호가 동시에 나오지 않을 것입니다. 그렇다면 언제 출력 신호가 동시에 나오게 될까요? 시간지연만큼 일찍 입력 신호가 Type 2 양극성 세포에 주어진 경우에만 그렇게 될 것입니다. 따라서 자극이 동물의 시야를 가로질러 움직이는 동안, 그래서 망막과, 결과적으로 양극성 세포를 활성화시킬 때, 만일 Type 2와 Type 3a 양극성 세포들이 적절한 시차를 두고 활성화된다면 그들의 출력 신호가 동시에 성화상 무축삭 세포 가지에 도달하게 될 것입니다. 이와 마찬가지로, 두 개의 신호가 성화상 무축삭 세포에 동시에 도달하는 경우, 신호의 건설적인 총합이 가지가 강력한 출력 신호를 내보내게 해줄 것입니다. 그러나 왜 자극이 성화상 무축삭 세포 가지를 따라 밖을 향할 때만 이런 일이 일어나는 걸까요?

아래 그림 8의 경우를 생각해봅시다. 스타버스트 뉴런이 네 개의 양극성 세포와 함께 나타나 있습니다. Type 3a 양극성 세포(분홍색으로 표시된 A 와 D) 들은 세포체로부터 멀리 있습니다. Type 2 양극성 세포(보라색으로 표시된 B 와 C) 들은 시간지연을 나타내며 세포체에 가까이 있습니다.

움직임에 의한 자극이 망막을 가로지르는 동안, 그것은 우선 양극성 세포 A(Type 3a, “빠른” 세포)를 활성화시키고 활성화된 A 세포는 재빠르게 신호를 성화상 무축삭 세포에 전파합니다. 동작은 다음으로 양극성 세포 B(Type 2, “느린” 세포)를 활성화시키며 계속됩니다. 이 세포는 시간지연 기능이 있어서 신호가 성화상 무축삭 세포에 늦게 도달하게 됩니다. 당신은 A 세포와 B 세포의 신호가 성화상 무축삭 세포에 서로 다른 시간에 도달한다는 것을 추론할 수 있을 것입니다. 그러나 움직임이 그 다음으로, 역시 시간지연 기능을 가진, 양극성 세포 C(느린 세포)를 활성화시키며 계속됩니다. 여기서 나오는 신호는 성화상 무축삭 세포에 도달하기까지 시간이 걸리게 됩니다. 마지막으로 움직임이 양극성 세포 D(빠른 세포)에 도달하게 됩니다. 그러나 이 세포는 시간지연이 덜한데 그것은 이 세포의 신호가 성화상 무축삭 세포에 재빠르게 전달된다는 것을 의미합니다. 이제 재미있어지는 부분이 바로 여기입니다. 양극성 세포 C와 D로부터 나온 신호들이 성화상 무축삭 세포에 동시에 도달합니다. 합쳐진 이들 두 양극성 세포로부터의 입력 신호가 starbusrt에 대한 건설적 신호의 총합을 형성하게 되는 것입니다.

결론을 내리자면, 양극성 세포의 성화상 무축삭 세포에 대한 종류 특이적 연결성과 양극성 세포의 종류 특이적 시간 반응성이, 왜 성화상 무축삭 세포 가지들이 나가는 방향 쪽으로 방향 선택성을 갖는지를 설명해 주었습니다.

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오리 GIF가 동물 시야의 움직임에 대한 양극성 세포의 반응을 시각화하고 있음. 사진제공: Samantha Yazejian

 

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그림 8: 묘사를 위해 선택된 네 개의 양극성 세포와 함께 연결된 스타버스트 뉴런(노란색)의 단면. Type 3a 양극성 세포(분홍색)들은 세포체에서 멀리 위치함. Type 2 양극성 세포(보라색)들은 시간지연을 나타내며 세포체와 가까이 위치함.

 

성화상 무축삭 세포를 넘어서

우리는 어떻게 성화상 무축삭 세포가 방향 선택성을 갖게 되었는지 살펴보았습니다. 그렇다면 성화상 무축삭 세포가 다른 세포에 무엇을 할까요? 성화상 무축삭 세포의 방향 선택성은 많은 종류의 신경절 세포의 방향 선택성의 근원으로 기여합니다. 성화상 무축삭 세포로부터 출력 신호는 그들의 하부(post-synaptic) 세포에게는 입력신호가 되며 이러한 하부 세포의 대부분은 신경절 세포입니다. 성화상 무축삭 세포는 억제성 세포입니다. 성화상 무축삭 세포들이 다른 세포들에 대한 입력신호로 작용하는 경우 억제제로 작용하게 됩니다. 억제성 신호가 다른 세포로부터의 흥분성 신호와 함께 신경절 세포에 도달하면 두 신호가 서로 상쇄됩니다.

그 예가 그림 9에 나와 있습니다. “On-Off 방향 선택적 신경절 세포”라는 이 신경절 세포는 그 이름이 시사하는 바와 같이 방향 선택성을 가지고 있습니다. 이 세포의 방향 선택 기전은 성화상 무축삭 세포의 그것과는 다릅니다. 이 세포의 방향 선택성은 성화상 무축삭 세포의 방향 선택성에 따른 것입니다. 이 세포는 주로 성화상 무축삭 세포로부터 한 방향으로 들어오는 신호를 받습니다. 이 세포가 선호하는 자극의 방향과 이 세포가 성화상 무축삭 세포로부터 많은 입력신호를 받는 방향과의 관계가 무엇인지 아시겠습니까? 힌트: 성화상 무축삭 세포가 억제성이라는 것을 기억하십시오.

Figure 8: Starbursts (red, yellow) make synapses with a ganglion neuron (green). Can you tell which starburst will activate the ganglion?
그림 9: On-Off 신경절 세포(초록색)와 두 개의 성화상 무축삭 세포(빨간색, 노란색). 둘 중 하나는 신경절과 많은 시냅스를 형성하며 다른 하나는 고작 몇 개만 형성하고 있음. 잘 구분할 수 있나요?

 

신경절 신경세포들은 망막의 출력신호 세포들입니다. 이들 세포의 축삭돌기는 망막과 두뇌를 연결하는 고속도로인 시신경을 형성하게 됩니다. 아이와이어에서, 신경절은 미스터리 세포라고 불리는데 우리가 귀여워서가 아니라 우리가 실제로 데이터 세트에 있는 대부분의 신경절들이 어떤 종류의 세포인지를 모르기 때문입니다. 그러나 아이와이어 플레이어들이 그러한 사정을 바꾸기 위해 도와주고 있습니다. 신경절 종류의 가장 눈에 띄는 표시는 망막의 깊이에 따른 가지의 분포라고 합니다. 말하자면, 다른 종류의 신경절들은 깊이에 있어 다른 양상을 나타내며 같은 종류들은(깊이에 따른 양상에서) 유사성을 공유한다는 것입니다. 신경과학자들은 이러한 현상을 “계층화(stratification)”라고 합니다. 그리고 망막에서의 깊이는 성화상 무축삭 세포의 깊이에 대해 상대적으로 측정할 때 가장 잘 나타납니다. 우리는 이 연구에서 Off-성화상 무축삭 세포들을 사용하였으며 현재는 On-성화상 무축삭 세포들을 밝혀가는 중입니다. 이들 세포들이 함께 망막 내 두 겹의 얇은 층을 형성하며 이들 세포들이 신경절 세포들의 표식으로 기능합니다. 이런 것들이 모여, 우리가 보다 많은 스타버스트 뉴런들을 밝혀나감에 따라, 보다 세밀한 계층화 정보를 제공하여 신경절 세포들을 구분하는 것을 도울 것입니다. 여러분이 새로운 세포 종류를 발견하게 될 수도 있습니다! 만일 어떤 세포의 계층화 정보가 알려진 세포들의 정보와 일치하지 않는다면, 새로운 세포 종류일 수 있습니다.

이러한 게임 플레이어들과 전문 신경과학자들 간의 협력을 통한 과학적 성취는 인류 역사상 처음이며, 앞으로도 계속될 것입니다. 여러분의 참여에 진심으로 감사 드립니다.

마지막으로, 승 연구소에서는 앞으로도 재미있게 아이와이어를 일궈갈 것이며, 아이와이어의 최신 비디오 시리즈를 내놓아 기쁩니다. 여러분이 크게 웃으셨으면 좋겠습니다. 항상 그렇듯이, EyeWire.org를 통해 온라인에서 뵙겠습니다.

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