운동이 뇌(신경계)에 미치는 영향 (1). 230715

얼마 전에 후속 연구가 Nature biomedical eng. 에 publish된 기념으로

나의 가설과 경험을 토대로만 써보는 운동이 신경계에 미치는 영향에 대해서 잡설.

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해당 연구들의 컨셉과 실험들은 대충 2014-2015년 사이에 주로 했었고 사실 그 때나 지금까지도

어떻게 보면 컨셉의 증명을 위해서 이런저런 시도들을 해보았다, 이렇게 되는 거 같다. 정도였지만,

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최근... 은 아니고 이전부터 maiken nedergaard lab에서 CSF에 관한 연구들이 많이 되어와서

더 생각해 볼 만한 것 같다.

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https://www.nature.com/articles/s41551-023-01061-x

 

(1) 운동으로 일어난 물리적 자극이 신경조직에 미치는 영향

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당시, 운동을 포함한 자극이 신경계 손상에 대해서 좋은 영향을 미치는 것에 대한 생각을 하던 중이었는데,

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운동이 신경계에 미치는 것에 대한 몇 가지 알려진 사실은,

• 운동 자극에 의하여 신경조직에서 BDNF, NGF 등이 upregulated되어서 좋은 효과가 나옴
• 운동 활동으로 인한 심혈관계 활성에 의해서 좋은 효과가 나옴

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정도의 메인스트림으로 요약될 수 있었다.

다만, 이러한 관점은 순수하게 신경의 자극에 대한 것으로만 생각해야 하는데,

예를 들어, 재활운동이나 러닝 등으로 인한 자극은 발바닥이나 손바닥이 땅과 접지하는 것으로 인한 자극 전달로

input을 trim하는 것이다.

이런 점에서 생각해 볼 때, 운동 활동으로 인한 심혈관계 활성과 뇌신경과의 직접적인 고리를 만들기는 조금 어려운 측면이 있을 것이다.

반면, 전기적 자극은 (예를 들어, 발바닥이 땅에 닿는 감각) 실험적인 자극만으로도 가능한데, 일정 freq.의 전기 자극을 운동을 mimic하여 신경다발에만 준다고 할 때, 뇌에서의 비슷한 BDNF 등의 증가와 기타 활성 signalling이 증가하는 것은 보고가 되었었다.

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다른 관점으로, 운동이 신경과 관련해서 건강에 미치는 것에 대한 몇 가지 알려진 사실은,

• 우울증 등과 같은 emotion, cognition related spectrum 질환의 개선에 좋은 영향을 줌.
• 운동 자극은 재활훈련으로써 각종 신경계 손상, 질환에 따른 motor function 개선에 도움을 줌.

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여기서도 skeletal이나 cardio의 개선으로 인한 2차적 효과가 아닌, 순수하게 신경적으로 beneficial한 영향만을 본다고 하였을 때, reflex나 MRI 검사에서 치료적인 영향이 있다고 알려져 있었다.

반면, 우울증과 같은 질환에 대해서는 조금 물음표였는데 어떤 mechanism인지 종잡을 수 없었기 때문이다.

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애초의 나의 scope은 신경재생 자체라서 많이많이 곁다리이긴 하였으나, 신경조직에 물리적 움직임을 application하는 과정에서 GPCR계 receptor의 움직임의 변화가 보여서 시작해 본 컨셉이었다.

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앞서 서술하였듯이, 주로 [전기적인 자극 또는 어떠한 몸의 움직임의 2차적으로 발생된 molecule factor의 발생으로 인한 효과가 운동이 신경계에 미치는 영향] 으로 생각됐는데,

나와 PI는 [물리적 자극 자체가 신경의 receptor를 움직인다] 는 생각을 해보았다.

그리고 그 당시 컨셉으로서 잡은 가설이, 그 물리적 자극이란 운동으로 인해 발생되는 fluid의 효과로 가설을 삼았다. 즉, CSF와 interstitial fluid이다.

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간단하게, 운동을 하면 걷거나 뛰거나 신체 전체가 힘의 영향을 받는데, 그 힘의 영향으로 내부의 fluid가 움직이고, 그 fluid의 영향이 cell receptor에 조금씩 영향을 미친다는 것이다.

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사실, 이 생각은 해볼 만했던 것이, 뇌나 척수 조직 신경조직은 외부 내부로는 매우 compact하게 밀봉이 되어 있으면서, 내부는 CSF가 분비되어 circulation이 되는 되다가 사이사이는 은근히 공간이 있어 interstitial fluid가 흐르며, 그 fluid는 주로 CSPG라고 불리는 gel 형태의 ECM과 혼합되어 조직 자체도 매우 말랑말랑하여 사실 물통 속의 꽉 찬 두부 정도로 비유할 수 있다.

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그래서, 직접적으로 MEMS 센서를 꽂아서 이용하거나, contrast를 넣어서 뇌를 좀 '흔들어' 보았는데 그러한 물리적 움직임에 의해서 내부 fluid가 퍼지는 것을 확인할 수 있었다. 사실 당연하다면 당연한 거겠지만...

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다른 한편의 알려진 사실로는, cell membrane에 존재하는 GPCR 중의 몇몇 type은

바깥의 fluid가 흐를 때, 흐르는 자극에 의해서 내부로 internalization 된다는 점이다.

이 부분은 recycle이 되는지 어쩌는지까지 해보지는 않았다.

다만, 현상적으로 일어나는 관찰 결과였고 재현도 되었다.

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따라서, 종합적으로, 그렇다면 운동의 움직임으로 신경조직 내부 fluid가 더 dynamic하게 움직인다면,

그 움직이는 fluid의 자극으로 receptor의 변화가 있을 것이고,

그 receptor의 변화는 곧 neuronal signalling에 변화를 주며 그것은 표현적 변화를 이끌 수 있다 라는 생각으로 이어진다.

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이런 점들의 연장선에서 해보았던 것인데 저 위의 해당 논문은 GPCR 중 하나인 ATR (angiotensin receptor)을 가지고 해본 것이다 (내가 한 건 아님ㅋㅋ).

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당시에는, 다른 중요한 scope도 있었는데

운동의 적정한 정도 에 관한 점이다. 예를 들어, 어떠한 치료 효과나 application을 한다고 하였을 때

몇 시간의 혹은 몇 분의, 어느 정도의 운동 움직임이 필요한가 에 대한 standard가 부재하기 때문이다.

매일 30분 걸으세요 의 30분은 어디서 온 것인지. 아니면 조깅을 할 때 어느 정도의 속도나 자극이 적당한지.

테니스가 좋은지 마라톤이 좋은지 수영이 좋은지 그리고 그러한 특정 운동은 왜? 좋은지 등등.

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이러한 점은 physical force의 움직임을 관찰해 볼 때, volume과 input/output 결과값을 가지고 있으면 모델링이 가능한 부분이라 이것을 염두에 둔 점이기도 하였다.

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요약하자면, 운동으로 인한 움직임이 왜 신경계에 좋은 영향을 미치는지에 대한 신경 부분만을 생각해 본 접근으로서, 신체의 움직임으로 인하여 발생된 중추신경계 조직 내부 fluid dynamics로 신경 세포 receptor의 변화가 영향을 초래하지 않았나 정도.

당시나 지금이나 별 반응은 없는데 (tweet된 수만 엄청 많기는 한데😅), CSF 연구의 big lab에서 계속 엄청난 연구를 발표해줘서 아직까지 흥미롭기는 하다.

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