마약 중독 재발 요인 연구에 제1저자로 참여한 미국 캘리포니아 주립 샌디에이고대 정민주 박사와 공동 교신저자로 참여한 임병국 교수·백세범 석좌교수(왼쪽부터). 카이스트 제공

마약 중독은 약물을 끊은 뒤 오랜 시간이 지나도 사소한 자극에 의해 재발할 위험이 높다. 그동안 마약 중독 재발은 충동을 조절하는 전전두엽 피질의 기능 저하 때문으로 알려져왔다. 그러나 전전두엽 피질 내부의 어떤 신경세포들이 어떤 방식으로 뇌 회로를 조절해 약물을 찾게 하는지에 대해서는 명확히 밝혀지지 않았다. 카이스트(KAIST) 연구진이 국제 공동 연구를 통해 마약 중독 재발의 원인이 단순한 뇌 기능 저하가 아니라 특정 신경세포 회로의 불균형에서 비롯된다는 사실을 밝혀냈다.

카이스트는 백세범 뇌인지과학과 석좌교수가 미국 캘리포니아 주립 샌디에이고대 임병국 교수 염구팀과의 공동 연구로 전전두엽 내 특정 억제성 신경세포가 코카인 중독 행동을 조절하는 핵심 원리를 규명했다고 9일 밝혔다. 연구 결과에 따르면 금단 이후 나타나는 마약 탐색 행동을 결정짓는 중요한 요소는 뇌에서 다른 신경세포의 활동을 억제해 신경 신호의 균형을 조절하는 ‘파발부민 양성(Parvalbumin-positive)’ 억제성 신경세포임이 확인됐다. 파발부민 양성 억제성 신경세포는 뇌의 흥분 신호를 조절하는 일종의 ‘브레이크 게이트(brake gate)’ 역할을 한다.

연구진이 쥐를 대상으로 코카인 투여 실험을 한 결과 전전두엽 피질 내 억제성 신경세포의 약 60~70%를 차지하는 파발부민 세포는 쥐가 코카인을 찾으려 할 때 활발히 작동하고, 더 이상 약물을 찾지 않게 하는 ‘소거 훈련’을 진행하자 세포 활동이 눈에 띄게 줄어드는 경향을 보였다. 신경 활동을 인위적으로 조절해 파발부민 세포 활동을 억제하면 쥐의 코카인 탐색 활동이 크게 감소하고 반대로 세포를 활성화하면 소거 과정 이후에도 약물을 다시 찾는 행동이 지속됐다. 이는 같은 억제성 신경세포인 ‘소마토스타틴’ 세포에서는 나타나지 않는 현상으로, 파발부민 세포가 마약 중독 행동을 선택적으로 조절한다는 점을 보여준다.

쥐를 대상으로 한 코카인 투여 실험 설계도. 카이스트 제공

연구진은 파발부민 세포의 조절 작용이 어떤 뇌 회로를 통해 이뤄지는지도 확인했다. 전전두엽에서 시작된 신호는 보상과 관련된 핵심 뇌 영역인 ‘복측피개영역’의 보상회로로 전달되며, 이 경로가 마약을 다시 찾을지 말지를 결정하는 중독 행동 조절의 핵심 통로인 것으로 나타났다. 이 과정에서 파발부민 세포는 신호의 흐름을 조절해 ‘도파민’ 신호에 영향을 주면서 중독 행동을 유지할지 억제할지를 결정하는 ‘조절 스위치’ 역할을 한다.

백 교수는 “중독 재발은 전전두엽 전체의 기능 저하 때문이 아니라 특정 신경세포인 파발부민 세포의 전전두엽과 보상 회로를 잇는 신경 경로 조절 여부에 따라 결정되는 현상임을 밝혀낸 것”이라며 “파발부민 세포가 중독 행동의 ‘게이트’ 역할을 한다는 발견은 향후 정밀 표적 치료 전략 개발에 중요한 단서가 될 것”이라고 말했다.

한국연구재단의 지원을 받아 진행된 이번 연구 결과는 지난달 신경과학 분야 국제학술지 ‘뉴런(Neuron)’ 온라인판에 실렸다.