장내 세균의 활동이 장과 뇌를 연결하는 신경에 ​​영향을 미쳐, 장의 운동을 제어하고 있다고 판명

인간의 장은 약 1억여 개의 뉴런(신경세포)를 가지고 있으며, '장이 두 번째 뇌이다'라고도 일컬어집니다. 과거의 연구에서 장내에 서식하는 세균이 동물의 지구력과 음식의 맛을 좌우하고 있는 것으로 밝혀지고 있습니다만, 새롭게 장내 세균의 활동이 장과 뇌를 연결하는 신경회로에 영향 주고 '장의 운동'을 제어하는 것을 발견했습니다.

Microbiota modulate sympathetic neurons via a gut-brain circuit | Nature
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2474-7

Brain-Gut Circuit Lets Microbiota Directly Affect the Sympathetic Nervous System | Technology Networks
https : // www.technologynetworks.com/tn/news/brain-gut-circuit-lets-microbiota-directly-affect-our-sympathetic-nervous-system-338082

Brain-Gut Circuit Lets Microbiota Directly Affect the Sympathetic Nervous System

미국의 록펠러 대학에서 면역 반응과 장점막에 대해 연구하는 Daniel Mucida 교수와 Paul Muller 씨의 연구팀은 동물의 중추신경계가 장내 세균을 어떻게 감지하고 있는지를 알아보기 위해 무균 마우스를 이용한 실험을 실시했습니다.

무균 마우스는 태어날 때부터 격리된 환경에서 성장하여, 체표나 체내에 바이러스나 기생충을 포함한 미생물이 존재하지 않는 마우스입니다. 기르고 있는 중 미생물과 접촉하지 않도록 무균 마우스는 철저하게 살균된 음식과 물만 주어지고 있어 일반 마우스가 가지고 있는 장내 세균도 가지고 있지 않습니다.

연구팀은 무균 마우스는 일반 마우스보다 대장의 운동을 제어하는 신경의 활동이 활발하며, 신경 활동의 마커인 c-Fos라는 유전자가 높은 수준으로 발현하고 있는 것을 발견했습니다. 대장의 운동을 제어하는 신경의 활동이 활발하여 무균 마우스는 일반 마우스보다 음식이 소화기관을 통과하는 속도가 늦어지고 있는 것으로 나타났다는 것. 실제로 연구팀이 약을 사용하여 무균 마우스의 장 신경을 진정시켰는데, 음식이 소화기관을 통과하는 속도가 빨라졌다고 합니다.

"도대체 어떻게 장의 신경이 장내 세균의 유무를 감지하고 있는가?"라는 의문에 대해 연구팀은 장내 세균이 생산하는 단쇄지방산의 수준이 뉴런의 활동에 영향을 주고 있는 것은 아닐까 생각했습니다. 이 가설을 확인하는 실험을 실시한 결과, 마우스의 장내에서 단쇄지방산의 수준이 낮으면 장내 신경세포가 활성화되고, 장내의 단쇄지방산이 증가하면 장내 신경세포의 활동이 감소하는 것을 파악하였습니다.

그러나 추가 실험을 통해 단쇄지방산의 양에 의해 활성화된 장내 신경세포는 노출된 장의 표면에 도달하지 않은 것으로 판명되었습니다. 즉, 활성화된 뉴런은 장내의 단쇄지방산이 어느 정도의 양인지 직접 감지할 수 없는 상태였다는 것입니다.

그래서 연구팀은 신경회로를 '거꾸로' 추적하기로 했습니다. 그러자 무균 마우스의 장 뉴런이 활성화했을 때뿐만 아니라, 활성화하는 뇌의 신경세포가 발견되었다고 합니다. 마우스의 뇌에 있는 이 신경을 특이적으로 활성화한 결과, 장의 운동을 제어하는 신경의 활동이 활발해지고 장의 운동이 변화하였다고 합니다.

또한 연구팀은 신경세포를 역으로 추적하여 뇌의 신경세포에 신호를 보내고 있는 장의 감각신경이 단쇄지방산의 양을 감지할 수 있는 장내 영역에 퍼져 있는 것을 발견했습니다. 장내의 단쇄지방산의 양을 감각신경이 감지하고, 뇌의 신경세포에 신호를 보낸 후 다시 뇌의 뉴런에서 장의 운동을 제어하는 신경세포에 신호가 도착하여 마우스의 장운동이 컨트롤 되는 회로가 밝혀졌습니다.

Mucida 교수는 "우리는 뉴런의 루프 전체를 더듬어 장의 외부에 있는 뉴런이 장 내부에서 일어나는 것을 제어할 수 있다는 사실을 알았습니다"라고 코멘트. 회로에 포함된 뉴런의 일부가 과민성 대장증후군 등의 질병과 관련있기 때문에 회로의 이상이 장 질환이나 신경 질환과 관련이 있을 수 있다는 것입니다.