▲ 마약 탐색 행동을 결정하는 전전두엽-보상회로 연결 기전 모식도(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

마약 중독자가 오랜 금단 기간 이후에도 사소한 자극에 다시 약물을 찾게 되는 중독 재발의 핵심 원리가 국내외 공동 연구진에 의해 밝혀졌다. 그동안 중독 재발은 충동 조절을 담당하는 전전두엽 기능 저하 때문으로 알려졌지만, 실제 원인은 특정 신경세포가 만드는 뇌 회로 조절 불균형이라는 사실이 확인됐다.

KAIST는 뇌인지과학과 백세범 석좌교수와 미국 캘리포니아대학교 샌디에이고(UCSD) 임병국 교수 연구팀이 전전두엽 내 특정 억제성 신경세포가 마약 중독 행동을 조절하는 핵심 신경회로를 규명했다고 밝혔다. 연구 결과는 신경과학 분야 최고 권위 학술지인 ‘Neuron’에 2월 26일 온라인 게재됐다.

마약 중독은 약물을 끊은 뒤에도 특정 환경이나 자극을 접하면 다시 강한 갈망이 발생하는 특징이 있다. 기존에는 이러한 현상이 전전두엽 피질(PFC)의 기능 저하로 인해 충동 억제가 제대로 이루어지지 않기 때문이라고 설명돼 왔다.

그러나 연구팀은 전전두엽 전체 기능 저하가 아니라 특정 억제성 신경세포의 활동 변화가 중독 행동을 조절하는 핵심 요인이라는 사실을 발견했다.

연구팀은 뇌에서 흥분 신호를 억제해 신경 신호 균형을 조절하는 파발부민 양성(Parvalbumin-positive, PV) 억제성 신경세포에 주목했다. 이 신경세포는 일종의 ‘브레이크 게이트(brake gate)’ 역할을 하며 중독 행동을 조절하는 핵심 요소로 작용하는 것으로 나타났다.

연구팀이 쥐를 대상으로 코카인 투여 실험을 진행한 결과, 전전두엽 피질 내 억제성 신경세포의 약 60~70%를 차지하는 PV 세포가 코카인을 찾으려 할 때 활발히 활성화되는 것으로 확인됐다. 반면 더 이상 약물을 찾지 않도록 훈련하는 ‘소거 훈련(extinction training)’을 실시하자 이 세포의 활동은 크게 감소했다.

또한 연구진이 신경 활동을 인위적으로 조절해 PV 세포의 활동을 억제하자 쥐의 코카인 탐색 행동이 크게 줄어든 반면, 해당 세포를 활성화하면 약물을 다시 찾는 행동이 지속되는 현상이 나타났다. 이러한 효과는 설탕물과 같은 일반 보상 행동에서는 나타나지 않았으며 마약 중독 행동에서만 특이적으로 발생했다.

연구팀은 PV 신경세포가 작동하는 뇌 회로도 함께 밝혀냈다. 전전두엽에서 시작된 신호는 보상과 동기 행동을 담당하는 복측피개영역(VTA)으로 전달되며, 이 경로가 중독 행동을 유지하거나 억제하는 핵심 통로로 작용했다. 이 과정에서 PV 세포는 도파민 신호 흐름을 조절해 약물 탐색 행동을 결정하는 ‘신경 회로 스위치’ 역할을 하는 것으로 나타났다.

이번 연구는 마약 중독이 개인의 의지력 부족 문제가 아니라 특정 신경세포 회로의 균형 붕괴로 발생하는 신경학적 현상임을 보여준다는 점에서 의미가 크다.

백세범 KAIST 석좌교수는 “이번 연구는 중독 행동이 특정 신경세포와 뇌 회로의 조절 균형이 무너질 때 나타나는 현상임을 밝혀낸 것”이라며 “PV 신경세포가 중독 행동의 핵심 ‘게이트’ 역할을 한다는 발견은 향후 정밀 표적 치료 전략 개발의 중요한 단서가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 UCSD 정민주 박사가 제1저자로 참여했으며 UCSD 임병국 교수와 KAIST 백세범 석좌교수가 공동 교신저자로 연구를 이끌었다.

연구진은 향후 해당 신경회로를 정밀하게 조절하는 치료 전략을 개발할 경우 마약 중독 재발을 근본적으로 줄일 수 있는 새로운 치료 접근법이 가능할 것으로 기대하고 있다.

논문명은 Distinct Interneuronal Dynamics Selectively Gate Target-Specific Cortical Projections in Drug Seeking이다.