[신경과학] 15.1 : 식이행동(feeding behavior) - 1

 

 

이번 포스트부터는 motivation, 즉 동기가 형성되는 과정에 대해 알아보자.

 

 

behavior에는 unconscious reflexes(무의식적 반사)와 voluntary movements(의식적, 혹은 수의적 행동)가 있음. 참고로 걸음을 걷는 등의 행동은 수의적, 불수의적 특성을 조금씩 다 가지고 있음.

 

 

특별히 voluntary movement를 위해서는 그 행동을 하고싶다는 motivation, 즉 동기가 필요함. motivation은 behavior에 대한 driving force임. 이 motivation에 의해 A인 상황에서 B라는 행동을 할 확률이 더 증가하는 식이 되는 것임.

 

 

motivation에는 많은 종류가 있을 수 있음. 다만 아직까지 복잡한 행동들에 대한 motivation은 neuroscience level에서 활발히 연구되지 않았음. 본 chapter에서는 배고픔, 수분조절, 체온조절의 세 가지 테마에 대한 motivation에 대해 주로 알아보자.

 

 

 

 

실제로 음식을 먹는 행동에 대한 motivation을 제공해주는 중추가 바로 brain임. 그러다 보니 비만 치료제 중 effective하게 작용하는 대다수의 drug들은 다 brain에 작용하는 녀석들임.

 

 

뇌, 그 중에서도 hypothalamus가 상당히 중요한 역할을 하는데, hypothalamus는 body temperature, fluid balance, energy balance 등 우리 몸의 homeostasis를 전반적으로 regulate해주는 역할을 함. 특별히 hypothalamus는 아래와 같은 3가지 기작에 의해 regulation을 수행함.

 

 

 

1. humoral response

pituitary hormone 등의 방출을 조절하거나, 혹은 직접 hormone을 분비해서 조절.

 

2. visceromotor response

ANS를 조절해서 불수의적인 반응을 유발함.

 

3. somatic motor response

somatic motor를 조절해서 의식적인 행동 변화를 유발함. (mainly by LH neurons) 다만 motor cortex가 근육 하나하나의 움직임을 조절한다면, hypothalamus를 통한 수의적 조절은 어떤 행동을 promote하거나 아니면 어떤 행동을 할 확률을 높이는 식으로 이루어지게 됨.

 

 

 

 

위 그림 (a), (b)는 각각 prandial state(식사 직후 포만 상태), postabsorptive state(흡수 후 시간이 지난 상태)를 나타내주고 있음. prandial state에서는 food로부터 유입된 nutrient가 쪼개져서 각 세포로 분배되고, 잉여 nutrient는 liver, muscle에서 glycogen의 형태로 저장되거나 adipose tissue에서 triglyceride의 형태로 저장됨. (anabolism) 한편 음식을 먹은 후 시간이 지나 postabsorptive state가 되면, 앞서 저장되어 있었던 glycogen, trigylceride가 catabolism reaction을 통해 쪼개져서 energy를 만들게 됨. 이 때 이러한 nutrient balance의 조절은 매우 다층적이고 복잡해서, 우리 몸의 체중이 어지간해서는 쉽게 변하지 않는 것임.

 

 

 

 

위 그림을 보자. 보면 energy intake에 비해 expenditure가 많을 때는 starvation, intake가 더 많을 때는 obesity, 둘이 비슷하게 평형을 이루는 경우 normal mice가 관찰됨. 이 때 일반적인 경우에는 체중이 상당히 잘 유지되는 편인데, 이는 우리 몸이 energy intake와 expenditure에 대한 balance를 잘 유지하고 있다는 뜻임.

 

 

 

long-term regulation

 

우선 long-term으로 일어나는 체중, 혹은 식욕조절 기전들에 대해 알아보자.

 

 

 

이와 관련해 초기에 Gordon Kennedy라는 사람이 주장한 lipostatic hypothesis가 유명함.

 

 

 

위 graph를 보면, 일정 기간동안 starvation condition을 가해주거나, 혹은 일정 기간동안 forced feeding을 해준 경우 그 기간이 지나고 나면 다시 원래 체중으로 돌아가는 것을 알 수 있음. 비록 이러한 원상복귀가 온도조절, 수분조절처럼 빠르게 일어나지는 않지만, 결국에는 일어나는 것을 봤을 때 무언가 조절기전이 있다는 것을 알 수 있음. 다시 말해 체중에도 set point가 있고, 이 set point에 체중을 맞추기 위해 우리 몸에서는 아주 복잡한 regulation이 일어난다는 것임.

 

 

 

 

그러던 중 위 그림에 나타나 있는 mutant가 발견됨. ob/ob mutant를 보면 상당히 뚱뚱하다는 것을 알 수 있음. (심지어 이 개체로부터 나온 자손들도 대다수가 뚱뚱하다는 것을 확인함) 이 ob는 사실 hormone과 관련된 gene인데, 이후 밝혀진 바에 의하면 ob gene은 특별히 Leptin과 관련된 gene임. (Leptin은 1994년에 Jeffery Friedman에 의해 처음 발견됨)

 

 

Leptin은 지방세포에서 나오며, body mass를 regulate함. Leptin은 appetite(식욕)를 감소시켜주고, energy expenditure(에너지 소비)를 증가시켜줌. 즉, 쉽게 말해 Leptin은 음식을 많이 먹었을 시 dominant하게 작용함.

 

 

한편, 이후에 db/db mice도 ob/ob mice와 비슷한 표현형을 가진다는 것을 알게 되었는데, 사실 이 db는 Leptin receptor gene에 해당함. (참고로 db는 diabetes를 indicate함)

 

 

 

그런데 Leptin을 처리할 시 특별히 활성화되는 뇌 부위가 있는데, 바로 hypothalamus의 Arcuate nucleus(궁상핵)임. 이 궁상핵은 먹는 것을 조절하는데 있어 매우 중요함.

 

 

 

위 그림에서 초록색으로 나타나 있는 부분이 바로 궁상핵임.

 

 

 

 

 

위 그림에는 leptin level이 높아졌을 때 brain에서 일어나는 일들이 나타나 있음.

 

 

보면 Arcuate nucleus 중에서도 Leptin에 의해 activation되는 일부 neuron들이 있는데, 대표적으로 \alphaMSH(POMC에서 잘려나와 만들어진 녀석의 일종), CART peptide를 분비하는 neuron들이 바로 그것들임. 이러한 peptide들을 통틀어 anorectic peptide라 부르는데, 그 이유는 이들이 appetite를 없애는 반응을 촉진하기 때문임. 이와 관련된 주요한 projection들을 위 그림을 참고해서 하나하나 살펴보자.

 

 

우선 αMSH/CART neuron에서부터 paraventricular nucleus(PVN) 쪽으로의 projection에 의해 결과적으로 pituitary gland에서의 TSH(thyroid-stimulating hormone)와 ACTH release가 촉진됨. 이 때 TSH, ACTH에 의해 결국 대사가 촉진됨. 한편 그 밖에 paraventricular nucleus로부터 sympathetic neuron으로 projection에 의해서 metabolic rate이 증가함.

 

 

한편 그 밖에, αMSH/CART neuron에서 lateral hypothalamic area(LH)로의 projection에 의해서는 feeding behavior가 억제되게 됨. (참고로 LH는 Arcuate, PVN과는 다르게 dense하게 neuron들이 밀집해있지 않음. 따라서 이곳은 nucleus로 불리지 않음)

 

 

 

 

다음으로 위 그림에는 leptin level이 낮아졌을 때 brain에서 일어나는 일들이 나타나 있음. 흥미롭게도 leptin level이 낮아질 시 이번에는 arcuate nucleus 중 NPY/AgRP를 분비하는 neuron들이 활성화되게 됨. 이들은 αMSH/CART와는 정반대의 effect를 내게 되므로, 결국 orexigenic pretide로 작용해 appetite를 증가시켜줌.

 

 

위 그림을 보면 NPY, AgRP neuron에 의해 이번에는 paraventricular nucleus가 inhibition되어서 TSH, ACTH의 분비가 감소하게 되고, 그러는 한편 이 NPY, AgRP neuron이 LH에 작용해 feeding behavior를 증가시켜주게 됨.

 

 

 

 

실제로 위 그림에서도 나타난 바와 같이 αMSH와 AgRP는 서로 반대의 작용을 하는 paracrine factor들이지만, 이들이 작용하는 LH상의 receptor 종류는 똑같음. 다만 αMSH는 이 receptor에 대해 agonist로 작용하는 한편 AgRP는 이 receptor에 대해 antagonist로 작용함. (이는 조금 더 simple한 조절을 가능케 해주는데, 이 receptor에 의한 후속반응을 촉진시켜주면 feeding behavior가 inhibit되고, 이 receptor에 의한 후속반응을 억제시켜주면 feeding behavior가 stimulate됨)

 

 

그렇다면 구체적으로 LH에서는 어떤 일이 일어날까. LH neuron에서는 Melanin-concentrating hormone(MCH), Orexin 등의 녀석들이 분비됨. 이 중 MCH neuron은 brain에 매우 넓게 퍼져있으며 특별히 cerebral cortex 부근까지 퍼져있어서 음식을 찾아나서야겠다는 motivation을 stimulate시켜줌. 한편 Orexin neuron의 경우에도 cortical region에 매우 넓게 퍼져있으며, 이 녀석에 의해서는 meal initiation이 촉진됨. (즉, 딱 먹는 행위를 시작하는 것이 촉진됨) 정리하자면 MCH neuron에 의해서는 먹기 위해 찾아나서는 반응이 촉진되고, Orexin neuron에 의해서는 먹는 행위를 딱 시작하는 것이 촉진됨.

 

 

LH neuron 중 MCH, Orexin neuron의 대부분은 GABAergic neuron으로 알려져 있음. 한편, 흥미롭게도 최근 연구 결과에 따르면 LH neuron 중 glutamatergic neuron의 경우 feeding을 inhibit시키는 역할을 한다고 함. 

 

 

 

 

위 그림의 왼쪽에는 동일한 사람이 fat condition일 때, lean condition일 때 각각에서 leptin 농도에 따라서 달라지는 다양한 output들이 표현되어 있으므로 살펴볼 것.

 

 

 

다음 포스트에서는 이어서 short-term regulation 기작에 대해 살펴보자.