장내 미생물이 인간의 뇌 발달과 지능 형성에 결정적인 영향을 미친다는 연구 결과가 발표되었습니다. 미국 연구진이 영장류의 장내 미생물을 생쥐에 이식하는 실험을 통해 미생물이 뇌 기능을 직접 변화시킨다는 사실을 입증했습니다.

미국 노던웨스턴대 생물인류학과 케이 티아마토 교수 연구팀은 서로 다른 영장류 종의 장내 미생물을 생쥐에 이식한 결과, 생쥐의 뇌 기능이 미생물을 제공한 영장류의 특성과 유사하게 변화했다고 발표했습니다.

과학매체 사이언스데일리 등에 따르면, 이번 연구는 장내 미생물이 종 간 뇌 기능 차이 형성에 직접 관여한다는 사실을 실험으로 입증한 첫 번째 사례입니다.

기사의 이해를 돕기 위한 자료 사진 / GettyimagesBank

연구진은 무균 상태로 사육된 생쥐를 두 그룹으로 나누어 실험을 진행했습니다. 한 그룹에는 인간과 다람쥐원숭이처럼 상대적으로 큰 뇌를 가진 영장류의 장내 미생물을, 다른 그룹에는 마카크원숭이처럼 작은 뇌를 가진 영장류의 장내 미생물을 각각 이식했습니다.

8주 후 분석한 결과, 이식된 미생물의 출처에 따라 생쥐의 뇌 활동 양상이 명확하게 달라졌습니다. 큰 뇌 영장류의 미생물을 이식받은 생쥐에서는 에너지 생산과 시냅스 가소성에 관여하는 유전자들의 활성이 증가했습니다.

시냅스 가소성은 신경 회로가 학습과 경험에 따라 변화하는 능력을 의미합니다. 반면 작은 뇌 영장류의 미생물을 이식받은 생쥐에서는 이러한 유전자 경로의 활성도가 상대적으로 낮게 나타났습니다. 연구진이 생쥐의 뇌 유전자 발현 패턴을 실제 인간 및 마카크원숭이의 뇌 데이터와 비교한 결과, 상당수 패턴이 일치했습니다.

기사의 이해를 돕기 위한 AI 이미지

아마토 교수는 "미생물만 바꿨을 뿐인데, 생쥐의 뇌가 실제 해당 영장류의 뇌와 유사한 유전자 발현 양상을 보였다는 점이 인상적이었다"고 설명했습니다. 특히 작은 뇌 영장류의 미생물을 이식받은 생쥐에서는 주의력결핍과잉행동장애(ADHD), 조현병, 양극성 장애, 자폐 스펙트럼 장애와 연관된 유전자 발현 패턴이 관찰되었습니다.

기존 연구에서도 이러한 신경발달 질환과 장내 미생물 구성 간의 연관성이 보고되어 왔지만, 미생물이 뇌 기능 형성에 직접적으로 기여한다는 실험적 증거는 제한적이었습니다.

인간은 체중 대비 뇌 크기가 가장 큰 영장류로, 막대한 에너지를 소모하는 뇌를 유지해야 합니다. 그러나 이러한 고에너지 뇌가 진화 과정에서 어떻게 형성되고 유지될 수 있었는지는 명확히 설명되지 않았습니다.

기사의 이해를 돕기 위한 자료 사진 / GettyimagesBank

연구진은 이 에너지 문제의 해답이 장내 미생물에 있을 수 있다고 판단하고 연구를 진행했습니다. 아마토 연구팀은 앞선 연구에서 큰 뇌를 가진 영장류의 장내 미생물을 생쥐에 이식했을 때 더 많은 대사 에너지가 생성된다는 사실을 확인한 바 있습니다.

뇌는 발달과 기능 유지에 막대한 에너지를 요구하기 때문에, 이러한 대사 효율 증가는 진화적으로 중요한 의미를 가집니다.

아마토 교수는 "이번 연구는 장내 미생물이 뇌 발달 과정에서 기능을 형성하며, 이러한 신경발달 질환에 인과적으로 기여할 수 있음을 시사한다"며 "인간의 뇌가 성장 초기 적절하지 않은 미생물 환경에 노출될 경우, 뇌 발달이 달라지고 그 결과 이러한 질환의 증상이 나타날 가능성도 있다"고 설명했습니다.

기사의 이해를 돕기 위한 자료 사진 / GettyimagesBank

연구진은 이번 발견이 특정 정신질환의 기원을 이해하는 데 도움을 줄 뿐 아니라, 인간의 뇌 발달을 진화적 관점에서 새롭게 바라보는 계기가 될 수 있다고 밝혔습니다. 종 간 비교를 통해 장내 미생물과 뇌 상호작용의 규칙을 규명할 수 있다면, 개인의 뇌 발달 과정에 대한 이해도 한층 확장될 수 있다는 설명입니다.

이번 연구는 'Primate gut microbiota induce evolutionarily salient changes in mouse neurodevelopment'라는 제목으로 ⟪미국국립과학원회보(PNAS)⟫에 1월 5일자로 게재되었습니다.