[신경과학] 8.2 : 후각(smell)

 

 

이번 포스트에서는 후각(smell)의 인식에 대해 알아보자.

 

 

 

일단 smell에 의한 정보전달의 가장 대표적인 매개체가 바로 pheromone(패로몬)임. pheromone은 reproductive behavior, territorial boundary(영역표시), individual identification, signal aggression, signal submission 등의 role을 가지고 있음. 다만 사람의 pheromone이 어떤 역할을 하는지에 대해서는 아직 unclear함.

 

 

 

 

위와 같이 비강 위쪽에는 cribriform plate가 존재하고 있음. 이 plate는 brain과 nasal cavity를 갈라주는 역할을 하며 총총 작은 구멍이 뚫려있음. 한편 위 그림 오른쪽과 같이 cribriform plate 주변에는 다양한 cell들이 존재하고 있음. 보면 cribriform plate 아래쪽에는 olfactory receptor cell, supporting cell, basal cell이 있으며, 이 중 olfactory cell이 냄새를 맡는 neuron에 해당함. 이 때 olfactory receptor cell의 맨 하단부는 cilia로 뻗어있게 되며, 이와 함께 mucus layer가 형성되어 있는 상태임. 이와 같이 코의 neuron은 우리 몸에서 유일하게 보호받지 않은 채로 밖으로 곧바로 노출된 neuron임. (참고로 감기가 걸려 점액이 다 말라버리게 될 시 냄새를 제대로 맡지 못하게 됨)

 

 

 

한편 supporting cell은 구조적인 지지를 해주는 역할을 하며 끝부분에 microvilli 구조가 발달해 있다는 것을 알 수 있음. 그리고 basal cell은 olfactory receptor cell이 망가졌을 시 다시 복원될 수 있게끔 해주는 stem cell의 일종임. (실제로 감기에 심하게 걸릴 시 olfactory receptor cell이 망가지며, 이 경우 basal cell에 의해 olfactory receptor cell이 다시 복원됨) 한편 위와 같은 코에서의 신경 구조를 보면 BBB 없이 곧바로 뇌로 신호가 통과함을 알 수 있음. 그러다 보니 신경세포가 특정 virus 등에 감염될 시 뇌로 곧바로 infection이 될 수 있어 매우 위험함. 실제로 COVID-19의 경우에도 후각 상실의 증상을 유발하므로 혹시 olfactory receptor cell을 감염시키는 것은 아닌지에 대해 논란이 많았음. 그러나 다행히도 COVID-19는 supporting cell에 감염되고 supporting cell을 파괴하므로 뇌로 직접 infection되지는 않는다는 것을 알게 됨.

 

 

참고로 코 주변의 신경 구조는 이처럼 BBB 없이 직접 뇌로 연결되어 있으므로 detoxify mechanism이 매우 잘 발달되어 있으며 그 밖에 neuron이 이상할 시 곧바로 axon을 끊으며 apoptosis되어버리기도 함.

 

 

 

 

 

 

위 그림은 실제로 olfactory receptor cell에서 신호가 전달되는 과정을 나타내주고 있음. 보면 이 경우 GPCR이 작용하며, 결과적으로 Adenylyl cyclase가 활성화되어 cAMP가 만들어지고 이에 의해 여러 channel이 열려 depolarization이 발생하게 됨. (참고로 시각에서는 cGMP가 secondary messenger로 작동함)

 

 

한편 흥미롭게도 한 olfactory receptor cell은 한 종류의 후각수용체만을 가지고 있음. 한편 사람 genome 내에 olfactory receptor를 encoding하고 있는 gene의 종류는 매우 많고 심지어 전체 genome의 2~3%가량에 이름. 그렇다면 도대체 어떻게 olfactory receptor cell 하나가 그 많은 gene들 중 한 종류의 olfactory receptor만을 발현하는 것일까. 사실 이에 대해서는 아직 잘 모르며, 특정 gene만을 특이적으로 activation시키는 것인지, 아니면 특정 gene을 제외한 나머지를 inhibition시키는 것인지에 대해 현재도 많은 연구가 이루어지고 있음.

 

 

 

 

 

 

위와 같이 실제로 olfactory receptor cell에서도 냄새가 진하면 진할수록 spike의 frequency가 더 촘촘함. 이때 cilia 근처에서는 receptor potential이 연속적으로 늘어나다가, 이 신호가 dendrite를 거치게 되면서 AP가 만들어지게 됨.

 

 

 

 

 

한편 위 그림에는 zone theory라는 것이 나와있음. 이 것은 후각 수용체 세포들이 분포하고 있는 비강 부위에서 zone별로 특정 냄새를 맡도록 기능적으로 분화되어 있는 것이 아니냐는 theory임. 즉, 특정 region에서 온 signal임을 뇌가 인지하기만 하면 특정 종류의 냄새임을 구분한다는 것임. 그러나 이는 아직 논란이 많으며, 최근에는 이 zone rule이 그다지 strict하지는 않으며 broadly tune되어있는 수준에 그치지 않을까 생각하고 있음.

 

 

 

 

위 그림은 olfactory receptor cell의 broad tuning을 나타내주고 있음. 보면 흥미롭게도 하나의 후각수용체 세포도 하나 이상의 odorant를 인지 가능함. 이 말인즉슨 한 후각수용체가 하나 이상의 odorant를 인지 가능하다는 것임.

 

 

 

 

 

 

위 그림은 odorant receptor의 특징을 정리해주고 있음. 보면 사람의 경우 1000개의 후각수용체 gene이 있지만 이 중 350여개 정도만이 실제로 발현되며 나머지는 pseudo gene임. odorant receptor는 7번 막을 관통하는 GPCR 계열의 수용체이며, 이 receptor들에 의한 sensation에 의해서 사람은 약 10,000개의 냄새를 구분 가능함. 그리고 앞서 살펴봤던 것처럼 분화가 완료된 후각신경세포는 한 종류의 후각수용체만을 발현하게 됨.

 

 

그리고 흥미롭게도, 동일한 후각수용체를 발현하는 후각신경세포는 후각망을 뇌의 동일한 부분에 투사하게 됨. 이는 아주 흥미로운데, 이 특성 덕분에 후각신경세포가 망가졌다가 다시 재생되는 등의 일이 있어도 우리는 냄새를 재학습할 필요가 없는 것임. (청각의 경우, 보청기를 끼면 새로 책을 읽으면서 자신의 소리를 다시 다 학습해야 하는 것과는 대조적임)

 

 

 

 

한편 우리 몸 곳곳에는 코가 아님에도 odorant receptor들이 발현되어 있음. (ectopic expression) 보면 각 odorant receptor들마다 각양각색의 기능이 있다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

 

 

위 그림은 olfactory bulb의 구조를 보여주고 있음. 특히 이 중에서도 Glomerulus라는 구조가 매우 중요한데, 이 곳은 peripheral nerve system인 olfactory sensory neuron의 axon terminal과 central nerve system인 olfactory neuron의 dendrite가 처음으로 synapse를 이루는 부분임. 참고로 흥미롭게도 알츠하이머가 발생할 시 Glomerulus의 synapse가 가장 먼저 망가진다는 것이 관찰됨. (이 때문에 많은 치매환자들의 경우 냄새를 잘 맡지 못함)

 

 

 

 

 

그리고 위 그림은 실제로 olfactory bulb를 보여주고 있는데, 앞서 말한 것처럼 위치에 상관없이 같은 receptor를 발현하고 있는 olfactory receptor cell로부터 유래한 신호는 모두 동일한 곳으로 몰리게 됨. 그리고 흥미롭게도, olfactory bulb로부터 뇌로 신호가 투사되는 과정에서 시각등에서와는 달리 narrow down되는 것이 아니라 매우 중구난방으로 신호가 쏴지게 됨. 이 때문에 냄새와 관련된 brain map은 아직 만들어지지 않았음. (사실 이 때문에 우리가 시각자극을 묘사하는 것은 쉽지만 냄새 자극을 묘사하는 것은 비교적 어려운 것임)

 

 

 

 

 

위 그림은 central olfactory pathway를 보여주고 있음. 보면 우리가 의식적으로 어떤 냄새를 맡고 구분할 때는 olfactory receptor cell→olfactory bulb→olfactory tubercle→thalamus→orbitofrontal cortex로 이동하게 됨. 한편 의식적이지 않게 냄새가 맡아지는 경우에는 thalamus를 거치지 않고 그 대신 감정의 뇌로도 불리는 amygdala로 이동하게 됨.

 

 

 

참고로 위 그림에서도 알 수 있듯 olfactory receptor cell, olfactory bulb, orbitofrontal cortex가 모두 비슷한 위치에 있기 때문에 실제로 어디에서 signal이 나왔는지를 판단하기가 생각보다 어려움.

 

 

 

 

실제로 위와 같이 olfactory의 경우에도 population coding이 있음. 그리고 실제로 위와 같이 olfactory bulb에 대한 sensory map을 만드는 것은 어느 정도 가능함.

 

 

 

위 그림은 olfactory cortex 부분에 대해 map을 만들어보려고 시도한 결과임. 그러나 아직까지 neuronal olfactory map을 만드는데 성공한 사례는 거의 없음.

 

 

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그리고 olfactory system의 경우에도 temporal coding이 매우 중요함. 즉, AP의 frequency에 따라 다양한 variation이 만들어질 수 있음. 그리고 흥미롭게도 spatial odor map과 temporal pattern이 어떤 식으로든 combination이 될 것으로 생각되고 있음.

 

 

 

 

 

위 그림에는 temporal coding이 나타나 있으므로 참고할 것. 보면 실제로 위 그림 오른쪽과 같이 3개의 다른 odor에 의한 전기신호는 거의 동일해보이지만 이들의 temporal coding이 다르므로 그 결과 우리가 이 3종류의 odor를 구분할 수 있는 것임. 결과적으로 우리는 spike number, rate, timing에 따라서 냄새를 아주 정교하게 구분함.

 

 

다음 포스트부터는 시각(vision)의 인식에 대해 자세히 알아보도록 하자.