▲ CRF 뉴런은 다른 영양소와는 달리 장내 칼로리를 지닌 포도당에 특이적으로 반응한다. CRF 뉴런은 배고픈 마우스가 다른 영양소보다 포도당을 선택하는데 필수적이다. 배고픔에 의해 활성화된 등쪽 외측 팔곁핵 뉴런은 포도당에 의해 억제되고 CRF 뉴런을 자극한다. 포도당에 의해 유발된 CRF 뉴런의 반응은 미주신경이 아닌 척수신경을 필요로 한다.(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

우리의 뇌는 단순히 배고픔을 느끼고 에너지를 저장하는 것을 넘어, 특정 영양소를 '선택적으로' 감지하고 반응한다는 놀라운 사실이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다. 특히 뇌의 필수 에너지원인 포도당에 대한 뇌의 특별한 감지 시스템이 규명됨에 따라, 향후 비만과 당뇨병 등 대사 질환 치료에 혁명적인 전환점이 마련될 것으로 기대된다.

KAIST 생명과학과 서성배 교수 연구팀은 바이오및뇌공학과 박영균 교수팀, 생명과학과 이승희 교수팀, 그리고 뉴욕 알버트 아인슈타인 의과대학과의 국제 공동 연구를 통해, 배고픔 상태에서 뇌가 장내 포도당을 선택적으로 인식하고 섭취 행동을 유도하는 '장-뇌 신경 회로'의 존재를 세계 최초로 규명했다고 9일 발표했다. 이는 '우리의 뇌는 장내에서 흡수된 다양한 영양소 중 포도당을 어떻게 구별해낼까?'라는 근본적인 질문에서 출발한 연구의 결실이다.

지금까지 장내 총열량 정보가 식욕을 조절한다는 사실은 알려져 있었으나, 특정 영양소, 특히 포도당에 특이적으로 반응하는 장-뇌 회로와 관련된 뇌세포의 존재는 미스터리로 남아있었다. 서성배 교수 연구팀은 이 의문을 해소하며, 뇌의 핵심 기능에 필수적인 포도당 감지와 섭취 행동 조절 메커니즘을 밝혀냈다.

연구팀은 실시간 뇌 활동을 정밀하게 추적하는 광유전학 기법을 활용, 쥐의 소장에 포도당, 아미노산, 지방 등 다양한 영양소를 직접 주입하고 뇌의 반응을 관찰했다. 그 결과, 뇌 시상하부의 '시상하부 시상핵(PVN)' 부위에 있는 'CRF 뉴런'이 오직 포도당(D-glucose)에만 선택적으로 초 단위 반응을 보이는 것을 확인했다. CRF 뉴런은 스트레스 반응에 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있었는데, 이번 연구를 통해 특정 열량 영양소 감지에도 관여함이 드러난 것이다. 이는 뇌가 장내 영양소 유입에 대해 단일 뇌세포 수준에서 방향성을 유도한다는 최초의 발견으로 의미가 크다.

더 나아가 연구팀은 소장의 포도당 감지 신호가 '척수신경'을 거쳐 뇌의 특정 부위(등쪽 외측 팔곁핵)를 통해 PVN의 CRF 뉴런으로 전달되는 독특한 회로를 밝혀냈다. 반면 아미노산이나 지방 같은 다른 영양소는 '미주신경'이라는 별도의 통로로 뇌에 전달되는 사실도 확인됐다. 광유전학적 억제 실험에서는 이 회로가 포도당에 대한 특이적 선호를 유도하는 데 필수적임이 명확히 입증되었다.

이번 연구는 서성배 교수가 뉴욕대(NYU) 재직 시절 초파리 모델에서 장내 포도당을 선택적으로 감지하는 뉴런을 발견했던 경험에서 아이디어를 얻어 포유류에도 유사한 메커니즘이 있을 것이라는 가설에서 시작되었다. KAIST 김진은 박사, 김신혜 박사, 정원교 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 신경과학 분야의 권위 있는 국제 학술지 '뉴런(Neuron)'에 2025년 6월 20일 온라인 게재되며 전 세계의 주목을 받고 있다.

김진은 박사와 김신혜 박사는 “이 연구는 ‘우리의 뇌는 어떻게 장내에서 흡수된 다양한 영양소 중 포도당을 구별해내는가?’라는 단순하지만, 본질적인 질문에서 시작됐고, 이번 연구에서 장-뇌 연결 회로의 핵심 축인 척수신경의 역할을 규명하고 장내 특정 영양소를 감지한 후 이를 뇌에 전달하는 척수 기반 신경 회로가 우리 몸의 에너지 대사 조절과 항상성 유지에 핵심적일 것이라는 것을 밝혀냈다”고 말했다.

서성배 교수는 "이번 연구는 포도당에 특화된 장-뇌 신호 경로를 규명함으로써, 비만·당뇨병 등 대사 질환의 새로운 치료 표적을 제시할 수 있다"며, "향후 아미노산, 지방 등 다른 필수 영양소를 감지하는 유사 회로의 존재와 그 상호작용 메커니즘을 밝히는 연구로 확장될 예정"이라고 밝혔다. 이번 발견은 인체 에너지 대사의 복잡한 비밀을 풀어내는 중요한 단서가 될 것으로 기대된다.

논문명은 Encoding the glucose identity by discrete hypothalamic neurons via the gut-brain axis이다.