학습과 기억 능력은 일상생활부터 고차원적인 지적 활동 다방면에서 필수적인 역할을 하며, 각 개인의 고유한 정체성의 주요한 구성 요소이다. 때문에 많은 신경과학자들이 기억이 어디에 저장되며 기억의 실체가 무엇인지 밝히기 위해 노력하고 있다.
기억이 저장되는 장소에 대해서는 여러 학설이 제시되어 왔지만 100여년 전 리처드 세먼(Richard Semon)이 제시한 “엔그램(engram)” 가설과 70년 전 도널드 헵(Donald O. Hebb)이 제시한 “기억은 신경세포의 시냅스에 저장되며, 학습에 의한 시냅스의 변화가 기억의 물리적 실체”라는 학설이 가장 유력하게 받아들여지고 있다.
그러나 수십 년이 지났음에도 불구하고 아직 직접적으로, 그리고 실험적으로 증명된 바 없었다. 왜냐하면 기억을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 해마에는 셀 수 없이 많은 신경세포가 있고, 하나의 신경세포에도 수천 개의 시냅스가 있다고 알려져 있어서 기억이 저장되는 기억저장 시냅스를 구분하여 찾아내기는 불가능했기 때문이다.

강봉균 교수(서울대학교) 연구팀은 이러한 문제를 해결하고, 기억이 저장되는 장소를 찾아내기 위하여 dual-eGRASP라는 기술을 개발했다. 이 기술은 하나의 신경세포에 있는 수많은 시냅스들을 구분이 가능한 서로 다른 두 가지 색의 형광(예 : 청록색과 노란색)으로 각각 표지하여 시냅스를 두 종류로 구분가능하게 만들어주었다.
새롭게 개발한 dual-eGRASP 기술을 이용하여 연구팀은 기억이 저장 되는 시냅스를 찾아내고, 도널드 헵의 가설을 증명하고자 하였다. 우리의 뇌 영역 중 해마가 기억을 담당한다고 알려져 있기 때문에 연구팀은 dual-eGRASP 기술을 생쥐의 해마에 적용한 후 공포기억을 학습시켜 시냅스들을 분석하였다. 그 결과 기억형성에 의해서 기억저장 세포들 사이 시냅스의 수상돌기 가시의 밀도와 크기가 증가했다는 것을 관찰하였다. 한마디로 기억저장 시냅스를 찾아낸 것이다. 또한 이러한 변화들은 공포기억이 강할수록 커지는 것을 관찰하였다. 추가적으로 전기생리학 실험을 통해서 이러한 시냅스들이 구조적변화 뿐만 아니라 기능적으로도 다름을 확인함으로서 기억저장 시냅스를 찾았다는 연구팀의 주장을 뒷받침하였다.
강봉균 교수 연구팀은 기억저장 시냅스들이 구조적, 기능적으로 강화되어 있고 이것이 기억의 세기를 직접적으로 반영하는 것을 확인하였다. 마침내 1949년 캐나다의 심리학자인 도널드 헵이 기억의 본질에 관하여 통찰하였던 가설을 최초로 증명한 것이다.
연구팀은 dual-eGRASP라는 신기술을 개발하여 기억저장에 관여 하는 시냅스만 형광으로 표지하고 찾아내어 분석하였다. 이를 통해 기억저장 시냅스를 찾아냄으로서 기억이 저장되는 장소를 한 단계 더 정확, 명확하게 밝혀낼 수 있었다. 이러한 발견은 앞으로 기억이 어디에 어떻게 저장되는지, 그리고 어떠한 분자적 메커니즘에 의해 일어나는지 밝혀내기 위한 후속연구의 패러다임에 큰 변화를 야기할 것이다.
또한 이 연구의 성과로 개발된 dual-eGRASP는 알츠하이머성 치매와 같은 퇴행성 질병과 불안장애, 약물중독과 같은 뇌 질환에서 다양한 신경세포 간의 네트워크가 어떻게 변하였는지 확인할 수 있는 중요한 실험 기법으로 활약할 수 있을 것이다. 이를 통해 기존에는 기술적으로 불가능하였던 보다 더 정밀하고 명확한 연구를 가능하게 해줄 것이며, 이로 인해 이 질환들의 발병기전을 밝히고 더욱 효과적이고 정확한 치료법 및 예방법을 찾아내는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

강봉균 교수는 “이 연구는 한 신경세포의 시냅스를 구분할 수 있는 dual-eGRASP라는 신기술을 개발하고, 이를 통해 기억이 어디에 저장되는지 그 위치를 규명한 것”이라며, “향후 기억을 연구하는 새로운 패러다임으로 자리매김하여 치매, 외상후스트레스 장애 등 기억 관련 질병 치료에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행되었으며, 세계 최고 수준의 국제학술지 사이언스(Science) 4월 27일 자에 게재되었다.