One of the biggest mysteries in biological science is why neurons in the central nervous system (CNS) fail to regenerate injured axons when those in the peripheral nervous system (PNS) can successfully do so. A number of patients live with pain and paralysis after an injury to the nervous system or due to neurodegenerative disorders. This is compounded by their desperation at knowing that their current condition will not improve. Paralysis is tragic for not only the patients but also their families, who love and care for them.

A simple method that has been utilized in an attempt to answer this question is the comparative analysis of tissue from the two systems to identify the extrinsic neuronal factors responsible for the poor regenerative capacity of the CNS. A number of studies have shown that inhibitory molecules produced in the tissue surrounding areas of damage in the CNS, a phenomenon that is not observed in the PNS, are the primary obstacle. However, based on these findings, research over the past 20 years has proven that blocking or eliminating these inhibitory substances does not improve axon regeneration in the CNS, indicating that the intrinsic neuronal mechanisms that enable PNS neurons to regenerate their axons should be investigated. A number of important characteristics of the neuronal nature of axon regeneration have been uncovered, such as regulatory mechanisms by JNK/c-Jun MAPK, mTOR/PTEN, and JAK/STAT pathways. It has recently become clear, however, that multiple complex responses coordinate the regulation of axon regeneration in PNS neurons after injury, thus systematic and comprehensive analysis is still required to fully understand the mechanisms behind this regeneration. With this in mind, we propose three specific goals that need to be achieved in order to reveal the secret of axon regeneration: 1) mapping the “roads of the regeneration process” on the transcriptomic, post-transcriptomic, translatomic, and proteomic levels; 2) explaining how stress induces phase changes in PNS neurons from a resting state to a re-growing state; and 3) developing novel applications that improve axon regeneration in injured CNS neurons.

 

식물과는 달리 동물은 신경계라고 하는 특화된 계통을 가지고 있습니다. 신경계는 동물이 생존하기 위해 기초적으로 요구되는 호흡/운동/감각의 인식과 같은 기능을 조절/관장하며, 인간과 같은 고등 동물의 경우에는 기억/학습/인지 등과 같은 복잡한 기능의 수행을 담당하고 있습니다. 따라서 신경계는 동물의 일생 동안 정상적인 생존의 유지에 매우 중요한 일을 제어하고 관리하게 됩니다.

By This SVG image was created by Medium69. Cette image SVG a été créée par Medium69. Please credit this : William Crochot (File:Nervous system diagram.png) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], via Wikimedia Commons

< 사람의 신경계 >

이러한 신경계는 손상을 입게 되면 작게는 감각 인식의 상실에서 부터, 크게는 생명 현상 유지 실패에 이르기 까지 심각한 상황을 초래하게 됩니다. 운동신경이 손상을 입게 되면 해당 신경이 관장하던 기관의 움직임을 더이상 제어할 수 없게 되며, 감각신경이 손상을 입는 경우에는 더이상 해당 감각 수용체로부터 감각을 두뇌로 전달하지 못해 감각을 느낄 수 없게 됩니다. 신경의 손상은 물리적인 충격에 의할 뿐만 아니고, 다양한 내/외부 요인에 의해 손상을 입을 수 있으며, 인간은 일생동안 수많은 종류의 위험으로 부터 신경이 손상당할 가능성을 겪게 됩니다.

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< 생쥐의 감각신경세포를 배양접시에서 기르고 일주일이 지난 후의 모습 >

고등동물의 경우 신경계는 크게, 뇌와 척수로 이루어져있는 중추신경계와 그 이외의 신경계인 말초신경계로 구분할 수 있습니다. 중추신경계는 골격 구조로 보호받고 있으며, 말초신경계는 이와 달리 아무런 보호를 받고 있지 않습니다. 중추신경은 학습/인지/기억과 같은 고등 기능을 수행하고 말초신경의 작용과 함께 운동의 조절을 관장합니다. 또한 말초신경으로부터 입력받은 감각신호정보를 두뇌로 전달하여 감각을 인지하게 됩니다. 말초신경은 운동을 조절하고 감각 정보를 수용하여 중추신경으로 전달하게 됩니다.

평생동안 정상적으로 그 구조와 기능이 유지되어야 하는 신경계 또는 신경조직이 몇가지 이유로 인해 퇴행을 겪게 되기도 합니다. 신경의 퇴행이란, 어떤 요인으로 인하여 신경의 구조와 기능이 점차 소실되는 과정을 말하며, 수많은 과학자들이 열심히 연구하고 있지만, 그 원인과 억제방법은 여전히 완전하게 밝혀지지 않았습니다. 어떤 이유로 인해 신경이 퇴행하게 되면, 신경세포 및 조직은 그 구조를 서서히 잃어가게 되며, 이로 인해 기능 상실 및 통증유발이 초래됩니다. 일반적으로 이 과정은 비가역적 과정이고, 일단 이 과정의 진행이 시작되면 인간은 극심한 물리적/심리적 고통을 겪게 됩니다. 만일 신경퇴행 과정이 중추신경계에서 진행되게 되면, 기억의 상실/인지능력 저하와 같은 일이 벌어지며, 또한 점진적인 운동능력 상실로 인해 최악의 경우 생명을 잃게 됩니다. 말초신경이 퇴행하게 되면 감각인지능력의 상실로 부터, 극심한 통증으로 인한 고통을 겪게 됩니다.

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< 척수 손상을 보여주는 MRI >

본 연구실에서는, 신경이 손상 당하게 된 이후 신경세포에서 어떤 일들이 벌어지는지 관찰하고 공부하며, 어떤 이유로 인해 신경이 퇴행하는지 연구하고 있습니다. 이러한 연구를 바탕으로, 손상 당한 신경이 완전히 사멸하기 이전에 다시 성공적으로 재생할 수 있는 방법을 찾기 위해 연구하고 있으며, 신경이 퇴행하게 되는 원리를 이해하고 공부하여 퇴행의 진행을 막고 예방하는 방안을 찾고자 연구하고 있습니다.