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곤충 비행의 기계적 및 생물물리학적 측면은 많은 연구가 이루어진 것에 반해, 신경생물학 및 회로에 관한 연구는 아직까지 큰 진전이 없는 상태다. 곤충의 경우, 근육은 비행에 필요한 힘을 제공하는 반면 뇌는 비행에 관한 전략 계획을 세운다. 초파리의 경우, 강력한 후각 능력을 통해 썩은 바나나와 같은 음식을 탐지한 후 몇 분 또는 1시간 이상 비행할 거리를 탐색한다. 곤충의 뇌는 어떻게 이처럼 긴 비행 시간을 조정할까. 최근 Bangalore의 National Center for Biological Sciences의 과학자들이 노랑 초파리(fruit fly Drosophila melanogaster) 연구를 통해 동 질문에 대한 실마리를 발견하였다. Gaiti Hasan 교수 및 공동연구팀은 최근 Current Biology 학술지에 발표한 연구에서 곤충의 장기간 비행을 가능하게 하는 뉴런 간 연결고리를 설명했다. 연구팀에 따르면, 초파리 뇌의 한 뉴런군이 회로에 관여하는 브레이크를 풀어 장기간 비행을 가능하게 만든다고 설명했다. 연구팀의 Steffy Manjila 박사생은 어떤 종류의 뉴런이 장기간 비행을 가능하게 하는 지에 대한 물음에서부터 본 프로젝트를 시작하게 되었다. 뉴런은 신경 전달물질이라고 불리는 화학물질을 통해 상호작용을 한다. 이 신경전달 물질의 한 종류는 모노아민(Monamines)이라고 불리며, 곤충 비행의 조절 인자로 알려진 octopamine, dopamine and serotonin등을 포함한다. 특히, 옥토파미너직 뉴런(octopaminergic neuron)의 손실은 초파리가 장기간 비행을 하지 못하도록 만든다. 연구팀은 이 초기발견을 재정리 한 후, 초파리가 비행 중 옥토파미너직 뉴런의 작용을 제한하는 유전 도구(genetic tool)를 사용한 실험을 수행했다. 연구팀은 옥토파민 뉴런과 상호작용이 가능한 뉴런을 추적하고, protocerebral anterior medial (PAM) 뉴런으로 알려진 뉴런군을 확인하는 데 성공했다. 연구팀의 이미징 실험은 옥토파미너직 뉴런의 활성화가 PAM 뉴런에서의 칼슘 신호를 발생시킨다는 것을 보여준다. PAM 뉴런이 비행지속시간을 조절하는 방식을 이해하기 위해서 연구팀은 머쉬룸 바디(mushroom body)로 불리는 뇌 영역을 조사했다. 버섯처럼 보이는 이 영역은 쇼핑몰과 매우 흡사한 구조를 지니며, 분자 정보의 끊임없는 교환과 활동이 일어난다. 이 뇌 영역은 학습과 기억에 관한 역할을 담당하는 것으로 알려져 있다. 머쉬룸 바디의 복잡성은 한 뉴런가지가 인접한 다른 가지로부터 입력을 받는 패턴으로부터 생긴다. 이러한 입력과정은 머쉬룸 바디로부터 정보를 전달하는 출력 뉴런에 의해 통합되어 하위 영역에 복합적인 메시지를 전달한다. 예를 들어 비행의 경우, 머쉬룸 바디는 포만감과 굶주림의 상태를 잘 익은 바나나 냄새와 조화시켜 파리가 바나나에 도달하기 위해 소비해야 할 에너지 양을 결정하도록 작용한다. 연구팀은 머쉬룸 바디 내에서 비행 조절에 관여하는 PAM 뉴런과 근접한 출력 뉴런군의 존재를 확인했다. 이 출력 뉴런은 억제성 신경전달물질인 GABA를 생산했으며, 다른 신경세포의 수용체에 결합하는 경우 차단 된다. 연구팀은 몇 가지 추가 실험을 통해 아이디어를 구체화했다. 연구팀은 유전자 트릭을 활용하여, 비행 중 발생하는 PAM 뉴런의 작용을 설명했다. 이 후 연구팀은 인위적으로 도파민성 PAM 뉴런을 활성화 시키고 GABA 출력 뉴런의 비활성화를 확인했다. 연구팀은 또한 GABA 출력 뉴런을 지속적으로 활성화시키는 경우 파리가 장기간 비행을 하지 못한다는 사실을 확인했다. 마지막으로 연구팀은 NCBS의 Sanjay Sane교수 및 프랑스 디종 UniversitE de Bourgogne Franche-ComtE의 Jean-Francois Ferveur교수와의 공동연구를 통해, 이 새롭게 확인된 회로는 굶주린 초파리가 먹이를 향해 비행을 하도록 만드는 역할을 수행하지만 여타 이동에는 관여하지 않는다는 사실을 밝혀냈다. 생물학적 패러다임 하에서, 이 같은 브레이크는 장거리 비행을 수행해야 할 경우에만 느슨해지며, 초파리의 불필요한 비행 활동을 방지한다. |
