우리 피부의 신경세포는 16가지 서로 다른 세포 유형으로 구성됐다.
촉각 센서는 접촉 뿐만 아니라 통증과 열도 감지한다.
다기능 도구:
피부에는 촉각, 통증 또는 열을 감지하는 다양한 유형의 신경세포가 있다. 이전에 생각했던 것과는 달리, 그들은 이러한 환경 자극 중 하나에 특화돼 있지 않고 오히려 여러 가지 자극을 인식한다. 따라서 촉각, 통증 및 온도로 구성된 우리의 피부 감각 시스템은 훨씬 더 복잡하고 예상보다 적은 분업으로 기능한다고 팀이 "Nature Neuroscience"에 보고했다. 이 테스트에서는 인간의 통증 감각과 동물의 통증 감각 사이의 미묘한 차이도 밝혀졌다.
▲ 우리 피부에는 주변 환경을 인식하는 데 사용하는 다양한 유형의 신경 세포가 있다. © dimarik/GettyImages
촉각이 없으면 우리는 누구와도 안을 수 없고 훨씬 더 서투르게 움직일 것이다. 통증이 없으면 부상을 당할 경우 위험을 피할 수 없고, 온도 감각이 없으면 화상을 피할 수 없다. 오늘날 우리가 피부에 있는 이러한 감각과 관련 인간 신경계에 대해 알고 있는 것은 주로 과학자들이 동물 실험을 통해 발견했으며, 그 결과는 이후 인간 세포 모델이나 임상 연구에서 확인되었다.
그러나 동물 실험의 일부 결과는 결코 인체로 전달될 수 없다. 이는 동물과 인간의 신경계가 부분적으로만 비슷하기 때문일 수 있다. 인간과 동물은 실제로 신경학의 수준에서 얼마나 유사할까? 그러면 우리 피부의 개별 신경세포에서는 무슨 일이 벌어지고 있을까?
피부의 신경세포에서는 무슨 일이 일어나는가?
이를 알아내기 위해 펜실베이니아 대학의 Huasheng Yu가 이끄는 팀은 인간, 쥐, 원숭이의 신경계를 비교했다. 신경생물학자들은 촉각, 온도, 통증에 초점을 맞추고 피부 샘플을 사용하여 어떤 신경세포가 관련되어 있는지 분석했다.
이를 위해 그들은 처음으로 개별 신경세포에서 발견된 RNA를 비교했다. 이는 신경세포에서 활성화된 유전자와 존재하는 단백질, 센서 및 수용체를 나타낸다. 이를 기반으로 Yu와 그의 동료들은 조사된 약 1천 개의 신경세포를 서로 다른 유형으로 분류했으며, 유사한 유전자 발현 프로파일을 가진 세포는 결국 동일한 그룹에 속하게 되었다.
▲ a, 이 연구의 전반적인 작업흐름. 왼쪽, hDRG 뉴런의 단일 세포 RNA-seq에 대한 다양한 전략과 관련된 특징. 중간, hDRG 뉴런 소마의 레이저 해부의 예. 오른쪽은 분석 및 실험의 요약. 스케일 바, 50 μm(셀) 및 500 μm(캡). (출처:관련논문 Published: 04 November 2024 / Leveraging deep single-soma RNA sequencing to explore the neural basis of human somatosensation / nature neuroscience)
예상보다 더 많은 신경세포 하위 유형
우리의 감각 시스템과 관련된 인간 피부의 신경세포는 적어도 16가지의 서로 다른 세포 유형에 속한다는 것이 밝혀졌다. 따라서 예상보다 이러한 센서의 하위 유형이 더 많다. 서로 다른 유전자가 활성화되어 있으므로 서로 다른 수용체가 존재한다.
하지만 이는 또한 이 16가지 신경세포 유형이 각각 피부의 감각 인식에 대해 서로 다른 기능을 수행한다는 것을 의미할까? 예를 들어, 이러한 세포 유형 중 일부는 열만 감지하고 다른 세포 유형은 통증만 감지할까?
이 일반적인 가정을 테스트하기 위해 신경생물학자들은 개별 신경 포를 열, 압력 또는 화학 물질과 같은 다양한 자극에 노출시켜 기능을 분석했다. 연구진은 미세신경조영술(Microneurography)이라는 특별한 방법을 사용해 인간과 동물 실험 참가자의 피부에 있는 개별 신경세포가 자극에 반응하고 뇌에 신호를 보내는지를 조사했다.
피부 세포는 다기능으로 놀라움을 선사한다.
이 테스트에서는 놀랍게도 세포 유형 내의 신경세포가 개별 자극 뿐만 아니라 여러 가지 유발 요인에도 반응한다는 사실이 밝혀졌다. 예를 들어, 부드럽고 기분 좋은 접촉에 반응하는 세포 유형은 열, 추위 및 고추와 같은 매운 음식의 통증을 담당하는 화학물질인 캡사이신에도 반응한다. 이전의 가정은 통증에 '특화'된 신경세포가 이 물질에 반응한다는 것이었다.
이제 실험을 통해 우리 피부에 있는 이러한 신경세포는 전문가가 아니라 다기능 도구라는 사실이 밝혀졌다. 즉, 캡사이신의 통증뿐만 아니라 멘톨과 같은 비통증성 화학물질 및 감기에도 반응한다.
“신경세포가 매우 특이하다는 대중적인 생각이 있다. 한 유형의 신경세포는 추위를 감지하고, 다른 유형의 신경세포는 특정 진동수를 감지하고, 세 번째 유형은 압력에 반응하는 식이다. 그러나 이제 우리는 그것이 훨씬 더 복잡하다는 것을 알고 있다”고 Linköping University의 공동 저자 Saad Nagi는 말했다.
▲ 연구진은 개별 신경 세포의 신호를 감지할 수 있는 기술을 사용했다. © Charlotte Perhammar/Universität Linköping
아직 알려지지 않은 자극 인식 메커니즘
신경세포가 다양한 자극을 정확히 어떻게 인지하고 처리하는지는 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 예를 들어, 부드러운 접촉에 반응하는 세포 유형은 추위도 감지한다. 하지만 RNA에 따르면 실제로 추위에 민감한 단백질의 생성을 보장하는 활성 유전자가 없다.
연구자들은 세포의 저온 감지에 대해 이전에 알려지지 않은 또 다른 메커니즘이 있어야 한다고 결론지었다. 아직 이해되지 않은 다른 피부 자극 메커니즘도 있을 수 있다.
인간과 쥐 - 비슷하지만 같지는 않음
생쥐 및 짧은꼬리원숭이와의 비교에서는 또한 그들의 피부 감각 시스템이 인간의 것과 유사하게 구조화되어 있지만 또한 다르다는 것을 보여주었다. 따라서 이 동물들은 인간과 마찬가지로 피부에 비슷한 수의 서로 다른 신경세포 유형을 가지고 있다.
그러나 이러한 센서의 유전자 발현 프로필은 인간 피부에서 확인된 16가지 세포 유형과 항상 동일하지는 않다. 따라서 동물의 신경세포는 다른 기능이나 기능의 조합을 가질 수도 있다고 연구팀은 말했다.
사람은 통증을 특히 빠르게 인식하고 이 신호를 뇌에 전달하는 유형의 세포를 훨씬 더 많이 가지고 있다. “생쥐에 비해 인간에게서 통증이 훨씬 더 빠른 속도로 신호를 받는다는 사실은 단지 신체 크기를 반영하는 것일 수 있다. 인간의 경우 쥐보다 거리가 더 멀기 때문에 신호가 뇌에 더 빨리 전달되어야 한다. 그렇지 않으면 반응하기도 전에 부상을 입을 수 있다”고 Linköping University의 공동 저자인 Håkan Olausson은 의심한다.
후속 연구에서 신경생물학자들은 이제 촉각의 개별 신경 세포의 추가 유사점, 차이점 및 기능을 찾고자 한다. 또한 신체 부위, 연령, 성별에 따라 세포 유형의 분포가 다른지 테스트할 것이다.
(Nature Neuroscience, 2024; doi: 10.1038/s41593-024-01794-1)
출처: Universität Linköping