MIT 대학의 Center for Neural Circuit Genetics at the Picower Institute for Learning and Memory에 소속되어 있는 두 명의 신경과학자 Steve Ramirez와 Xu Liu의 TED 강의다.
Optogenetics를 사용해서 쥐의 기억을 조작하는 내용을 담은 Talk 이다.
Neuron이 firing 할때 translate 되는 gene(아마 c-Fos로 추정)이 있는데 이를 이용해서 특정 상황을 제시하고 그 상황에서 활발하게 활동하는 neuron들만 specific하게 labeling을 할 수 있다.
또한 이 gene의 activity-dependent한 translation의 성질을 이용해서 특정 단백질을 같이 발현시키는 것이 가능하다.
이 gene 뒤에 labeling용 eGFP(enhanced Green Fluorescent Protein), 그리고 optogenetic 용 유전자를 붙여두면 앞의 activity-dependent gene이 전사될 때 뒤의 두 단백질도 같이 전사가 되도록 할 수 있다.
이를 통해서 Labeling과 Control을 같이 할 수 있게 된다.
참고로 optogenetic용 유전자는 Channel rhodopsin으로 Light sensitive하게 활성화 되는 light-gated ion channel이다. 특정 파장의 Blue light를 비춰주면 ion channel이 열리고 세포 외부에 있는 양이온들만 선택적으로 통과시켜서 depolarization을 시켜 뉴런을 강제로 활성화 시킨다.
이렇게 특정 상황에서 활성화 되는 ( = 아마 그 특정 상황에 대한 기억을 담고 있는) 뉴런에 표지와 스위치를 붙여놓음으로서 언제든 실험자는 특정 상황에 대한 기억을 인출 시킬 수 있다.
또한 이러한 원리를 응용하여서 강제로 기억을 인출시키는 동안 다른 기억을 주입하여 이전에 형성되었던 기억을 조작할 수 있다.
이터널 선샤인이나 인셉션과 같은 미래가 오는 것일까.
두 과학자는 마지막 끝을 이렇게 맻는다.
"우리는 이제 진실로 엄청 흥미로운 순간에 살고 있습니다. 과학의 발전 속도에 더이상 제한이 없고 단지 우리의 상상력에 제한을 받는 시대가 온것이죠."
Indeed, we are living in a very exciting moment where science doesn't have any arbitrary speed limits but is only bound by our own imagination.
발표를 들으면서 몇가지 기술의 한계점들을 생각해 보았다.
* 한계점
안타깝게도 이미 형성된 기억은 조작을 할 수 없다.
- 특정한 기억이 형성되는 시점에 재조합된 DNA를 injection 해야하는 것인데 이런 한계점이라면 PTSD나 우울증 같은 치료에는 사용할 수가 없게 된다.
-> 그러나 회상만으로도 충분히 가능하지 않을까? 최면상태나 발작, 혹은 비슷한 상황을 연출해서 해당 기억을 최대한 꺼내낸뒤에 labeling을 한다면...?
"그 상황에서 활발하게 활동하는 neuron"은 전부 해당 순간의 기억에 관여하는 뉴런이 아니다.
- Default Network 라고 아무것도 안하는 유휴상태에서도 활발히 활동하는 뉴런들이 있고 모든 뉴런들은 정지해있다가 활성화되면 firing을 하는 digital 적인 신호를 보내지 않는다. 실제로 뉴런간 연결에 큰 영향을 미치는 것은 firing 여부가 아니라 firing rate이다. 즉, 모든 뉴런들은 조금씩은 활동을 하고 있다고 설명을 할 수 있다. 그렇다면 단순히 "그 상황에서 활발하게 활동하는 neuron"은 실제로 기억을 encoding하는 뉴런보다 더 많은 뉴런을 포함하고 있을 가능성이 있다.
-> Blocking이 필요하다. 특정상황 바로 이전까지 활동했던 뉴런들의 firing rate을 잡고 특정상황에서만 활동이 활발하게 증가한 neuron들만 targeting하는 기술이 필요하다. EEG에서 noise를 제거하듯이.
영구적인 기억 조작이 일어나지 않는다.
- 사용된 기술은 optogenetics 이다. TED 강의에서도 강조했듯이 이는 빛보다 빠른 temporal resolution을 자랑하지만 빛의 특성상 영구적으로 존재하기 힘들다. PTSD 환자의 안좋은 기억을 제거하기 위해서 이용된다면 계속 뇌속에 불을 켜놓고 살아야할 것이다!
-> 영구적인 조작을 하기 바로 이전단계로는 사용할 수 있을 것이다. 미리 channel rhodopsin을 달아두고 레이져를 쏘여 기억이 제대로 조작되었는지를 확인하고 약물처리...