[신경과학] 13.3 : 기저핵(basal ganglia)

 

 

이번 포스트에서는 기저핵(basal ganglia)에 대해 알아보자.

 

 

motor execution center에 signal을 보내라는 go signal을 줘야 실제로 행동이 일어날 것임. PMA에서 생성된 motor planning은 subcortical input에 의해 activation이 됨으로써 execution center에 signal을 전달해 줄 수 있게 됨. 이 때 이 역할을 담당하는 부분이 바로 basal ganglia임.

 

 

 

basal ganglia는 motor cortex와 thalamus 사이에 위치하고 있음. 실제로 area 6에 input을 제공하는 dorsal thalamic region이 VLo(ventro-lateral)라는 부분인데, 이 region은 basal ganglia에서 input을 받게 됨. 그리고 위 그림에서도 볼 수 있는 것처럼 basal ganglia는 아주 넓은 영역의 prefrontal cortex로부터 input을 받게 되어서 VLo neuron의 activity를 조절하게 됨.

 

 

 

 

 

basal ganglia의 구조는 위와 같음. 크게 input 영역과 output 영역으로 나누어지는데, 이 중 caudate nucleus와 putamen이 합쳐져 생성된 striatum이 input 영역에 해당하며 globus pallidus가 output 영역에 해당함. 그 외에 subthalamic nucleus, substantia nigra는 output 영역을 조절하는 기능을 하는 것으로 알려져 있음. 참고로 위 그림에서도 표현되어 있는 것처럼 결과적으로는 이 부분으로부터의 신호가 thalamus의 VL nucleus로 나가게 됨.

 

 

basal ganglia에서는 2개의 major pathway가 존재하는데, direct pathway와 indirect pathway가 바로 그것임. 이 때 direct pathway를 통해서는 VLo region의 neuronal activity를 activation시켜주게 되고, indirect pathway를 통해서는 VLo region의 neuronal activity를 inhibition(결과적으로 motor action을 inhibition)시켜주게 됨.

 

 

 

 

 

보면 direct pathway에서는 input region 중 하나인 putamen region부분으로 cortex로부터 excitatory neuron이 들어오게 됨. 그러면 이곳에 존재하는 inhibitory neuron들이 globus pallidus interior(GPi)에 존재하는 neuron들을 block해주고, 이 때의 GPi neuron들은 원래는 thalamic region의 neuronal activity를 inhibition하는 역할을 하고 있었음. 그리고 VL neuron들은 motor cortex의 neuron들을 activation시켜주게 됨. 결과적으로 negative가 2개 있으므로 +가 되어서 direct pathway를 통해서는 motor cortex의 neuron이 activation됨.

 

 

 

 

한편 indirect pathway의 경우 cortex에서 striatum으로 정보가 전달되고 이후 여기서 GPe(globus pallidus exterior)로 inhibitory signal이 전달됨. 이후 GPe에서 GPi로 inhibitory signal이 다시 전달되고 ,GPi로부터 thalamus로 inhibitory signal이 전달됨. 이 때 indirect pathway의 경우 negative가 3개이므로 결과적으로 motor cortex neuron이 inhibition되게 됨.

 

한편 그 밖에 STN(subthalamic nucleus)은 GPi를 activation하므로, 결과적으로 motor action을 inhibition하게 됨. (참고로 GPe가 STN을 inhibition하게 됨) 그 다음에 SN(substantia nigra)의 경우 striatum으로 activatory, inhibitory signal을 다 보내게 됨. 실제로 SN은 dopamine을 NT로 이용하게 되며, direct pathway는 activation시켜주고 indirect pathway는 inhibition시켜주는 역할을 함.

 

 

 

 

basal ganglia에 문제가 생기게 되면 hypokinesia(movement가 덜 일어나는 질병) 혹은 hyperkinesia(movement가 더 많이 일어나는 질병)가 나타나게 됨.

 

hyperkinesia의 대표적인 예가 바로 Parkinson's disease임. 이 경우 근육이 아주 뻣뻣해지고 손을 평상시에도 떨게 됨. 이 질병의 대표적인 원인은 SN neuron의 degeneration임. (즉, movement initiation에 제약을 받게 되는 것) 그렇기에 dopamine의 전구체인 L-DOPA 등을 striatum에 넣어주는 치료법을 사용하곤 함. 그러나 이 치료법은 효과가 오래 지속되지는 않음.

 

이 밖에 Huntington's disease도 hyperkinesia의 일종임. 이 질병은 genetic disorder이며, basal ganglia 기능 자체에 문제가 생겨 발생하게 됨. (그 결과 thalamus에 존재하는 neuron들이 제약을 받지 않고 자기 멋대로 activation이 되게 됨) 이 질병은 보통 caudate nucleus, putamen and globus pallidus의 degeneration에 의해 발생함.

 

 

그 밖에 손발을 던지듯이 움직이는 증상을 보이는 ballism 등의 질병도 존재함. 이 질병은 STN에 damage가 일어나 발생하게 됨.

 

 

 

 

 

이렇게 해서 basal ganglia에서 go signal이 오게 되면 area 6에서는 신호를 primary motor cortex로 전달하고, 결과적으로 motor neuron의 activity를 조절하게 됨.

 

 

물론 SMA도 spinal cord로 직접적인 input을 제공해주지만 M1의 경우 아주 낮은 강도의 electrical stimulation만 생겨도 움직임을 유발할 수 있으므로 primary motor cortex로 불리는 것임.

 

 

 

 

사실 M1도 layer들로 구성되어 있음. 이 중 layer V의 경우 pyramidal neuron이 존재하고 있으며, 이들 neuron이 spinal cord로 바로 뻗어나가서 projection하게 됨. 참고로 이 때 pyramidal neuron 중 가장 큰 것은 Betz cell이라 부름. 이들 neuron들은 spinal motor neuron과 직접 연결되어 있기 때문에 monosynaptic하다 할 수 있음.

 

 

 

실제로 pyramidal neuron은 다른 inhibitory interneuron과도 연결되어 있고, 그 결과 위 그림과 같이 extensor motor neuron은 activation시키는 반면 flexor motor neuron은 inhibition시키게 됨(reciprocal inhibition).

 

 

layer V로 input을 주는 neuron에는 cortical area(area 6, area 3, 1, 2)와 primary sensory cortex, thalamus(cerebellum으로부터 정보를 받은 VLc)로부터 온 neuron이 있음.

 

 

 

과거에는 하나의 pyramidal cell이 하나의 motor neuron pool을 활성화시킨다는 가설이 지배적이었음. 즉, 이말인즉슨 특정 neuron이 특정 muscle만을 contraction시킨다는 것임. 그러나 이 가설은 틀린것으로 판명났는데, recording을 통해 손가락을 움직일 때 활성화되는 pyramidal cell을 관찰했더니 실제로 여러 pyramidal cell이 같이 활성화된다는 것을 확인하게 되면서 가설이 틀린 것이 검증됨.

 

 

 

 

보면 (a)와 같이 원숭이를 특정 방향으로 bar를 움직이도록 training시킨 경우, 흥미롭게도 위 그림 (b)와 같이 특정 neuron의 activity가 각도에 따라 서로 다르게 activation된다는 것을 확인함. (즉, broadly tuning되어있음) 실제로는 한 population의 neuronal pool이 작용하고, broadly tune된 cell들의 집합에 의해서 결과적으로 특정 행동이 조절되게 되는 것임.

 

 

 

 

실제로 이 과정이 위와 같이 나타나 있음. 보면 위 그림 (b)에 나타나 있는 것과 같이 right로 손을 움직일 경우 (a)에 따라 cell 1의 activity는 낮은 반면 cell 2의 activity는 높게 됨. 이 때 이들 각각의 prefer direction과 activity의 크기를 고려해 vector를 그리고(즉, maximum activity를 보이는 방향으로 방향을 고정하고, 크기는 각각의 각도에 따른 activity로 둬서 vector를 그리고), 이들 두 vector를 vector summation할 시 보라색과 같이 됨. 그리고 up으로 움직일때의 경우에도 마찬가지로 vector summation을 할 수 있음.

 

 

 

결과적으로 large population 각각에 대해 이런 vector summation을 한 결과, 놀랍게도 population vector의 방향과 실제로 movement가 일어나는 방향이 위와 같이 일치했음.

 

 

이 때 핵심적인 것은, 모든 motor cortex의 neuron들이 every movement에 active하지만, 그럼에도 이들이 prefer하는 방향이 있어서 broadly tuning되어있고, 이들의 broadly tune은 서로 population 형성 과정에서 summation되면서 특정 행동으로 나타나게 됨.

 

 

참고로 아주 많은 neuron들이 있을 시 population vector는 더욱 더 정교해지게 될 것이고, 그 결과 움직임도 더 정교해질 것임. (손, 얼굴 등의 움직임이 정교해질 수 있는 이유는 이곳에 해당하는 cortex가 넓기 때문에 더 많은 neuron들에 의한 population vector가 생성될 수 있어서임)

 

 

 

 

한편, motor cortex는 fix되어있지 않음. 예를 들어 첼로를 처음 배우면 잘 다루지 못하지만, training을 통해 정교하게 연주를 할 수 있게 됨.

 

 

 

 

실제로 John Donoghue, Jerome Sanes등의 연구자들은 rat의 뇌 motor cortex에 전기자극을 줘서 (a)와 같은 motor map을 얻음.

 

 

그런데 이후 whisker muscle을 자극하는 neuron axon들을 잘라주게 되면 (b)와 같이 motor cortex 상에서 whisker를 mapping하고 있던 부분이 없어지고 나머지 부분이 이 영역으로 확장된다는 것을 알 수 있음. 이를 통해 motor map도 plasticity를 가진다(즉, malleable하다)는 것을 확인함.

 

 

 

다음 포스트에서는 소뇌(cerebellum)에 대해 알아보자.