망막

망막은 척추동물과 일부 연체류 동물의 눈 속에 있는 신경조직으로 빛 신호를 전기 신호로 전환한 후 시신경을 통해 뇌로 전달하는 역할을 한다. 망막에 의해 받아들인 외부 빛 신호는 2차원적 특징을 가지므로 종종 카메라와 비교되기도 한다.

모든 생명체의 망막은 빛, 즉 광자(photon)를 받아들이는 광색소를 포함하는 광수용세포(photoreceptor)를 포함한다. 척추동물의 광수용세포는 모양에 따라 크게 간상광수용세포(rod photoreceptor)와 원뿔광수용세포(cone photoreceptor)로 나눌 수 있으며, 원뿔광수용세포의 막전위 변화를 유도할 수 있는 광자의 수가 간상광수용세포에 비해 50~100배 이상 더 많이 필요하다. 간상광수용세포는 약한 빛에도 활성화되는 로돕신(rhodopsin) 광수용단백질을 발현해 명암 구별에 주로 사용이 되고, 광민감도가 약한 원뿔광수용세포는 반응하는 빛의 파장 영역이 다른 종류의 옵신 광수용단백질을 발현해 색깔 구별에 이용된다. 활성화된 광수용세포는 연결된 망막 신경세포들의 자극해 빛 정보가 뇌로 전달되어 물체의 명암과 색깔을 구별할 수 있게 유도한다. 이들 광수용세포들 외에도 망막신경절세포(retinal ganglion cell) 역시 광수용단백질을 포함해 빛을 받아들일 수 있지만, 물체의 형태 인식에는 사용되지 않고 빛의 강도만 판별할 수 있다.

목차

척추동물의 망막은 빛이 들어오는 각막과 수정체의 반대편에 광수용세포가 위치하는 소위 역위(inverted) 구조를 가진다. 광수용세포들의 세포핵이 모여 있는 영역을 외핵측(outer nuclear layer, ONL)이라 부르며 망막신경절세포(retinal ganglion cell)가 위치하는 신경절층(ganglion cell layer, GCL)과 외핵층 사이에 다양한 망막신경세포들과 뮬러글리아세포(Muller glia)가 내핵층(inner nuclear layer)을 구성하며 위치하고 있다. 외핵층의 광수용세포와 내핵층의 신경세포들이 시냅스를 형성하는 공간을 외망상층(outer plexiform layer)이라고 부르며, 내핵층세포 간 또는 내핵층세포와 망막신경절세포 사이의 시냅스가 형성된 공간을 내망상층(inner plexiform layer, IPL)이라고 부른다 (그림 1).

광수용세포의 바깥쪽은 멜라닌색소를 포함하는 망막색소상피세포(retinal pigment epithelium, RPE)가 단세포층을 구성하며 위치한다. 망막색소상피세포의 멜라닌 색소는 광수용세포의 외절에 위치한 광수용단백질들에 결합된 광색소(photopigment)에 포집되지 않은 광자들을 흡수하여 빛의 산란을 억제하는 역할을 한다.

그림 1. 망막의 구조. (A) 망막 단면 모식도. 망막은 색소상피세포층에 싸여 있으며 내부에는 3개의 세포핵층(nuclear layer)과 2개의 망상층(plexiform layer)으로 구성되어 있다 (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gray881.png). (B) 망막을 구성하는 세포들 (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Retina-diagram.svg)

망막에서 빛을 받아들이는 역할을 하는 광수용세포는 일반적인 신경세포들과 달리 자극이 없는 상태에서 탈분극(depolarize)되어 있다. 이는 광수용세포 내에 축적된 사이클릭 GMP(cyclic guanine monophosphate, cGMP)에 의해 나트륨 채널이 열려 나트륨 이온이 광수용세포 내부로 지속적으로 유입이 되기 때문이다. 광수용세포의 탈분극화는 광수용세포 내 옵신 단백질에 결합된 11-시스 레티날(11-cis retinal) 광색소가 빛에 의해 트랜스 레티날(all-trans retinal)로 이성체화(isomerization)가 될 때만 사라지는데, 이 과정은 트랜스 레티날과 결합한 옵신이 트랜스듀신(transducin)이라고 하는 G-단백질 복합체와 결합을 통해 시작된다. 옵신과 결합한 트랜스듀신은 단위체로 해체되고, 그 중 알파 단위체가 다시 하부의 포스포다이에스테라제(phosphodiesterase, PDE) 효소를 활성화해 cGMP를 GMP로 전환해 광수용세포 내 cGMP의 농도가 떨어져 나트륨 채널의 개방이 줄어들기 때문이다 (그림 2).

그림 2. 광수용세포의 광전달(phototransduction) 과정 (출처:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phototransduction.png).

광자 흡수가 일어나지 않아 탈분극화 된 광수용세포는 신경전달물질인 글루타민산(glutamate)을 분비해 OFF 양극세포(OFF bipolar cell)을 탈분극화한다. 반대로 광자를 받아 들여 과분극화된 광수용세포는 글루타민산 분비가 억제되어 ON 양극세포(ON bipolar cell)의 탈분극을 유도한다. 탈분극화된 ON 또는 OFF 양극세포는 글루타민산을 망막신경절세포나 아마크린세포로 전달해 이들 세포들의 탈분극화를 유도하고, 다시 탈분극화된 망막신경절세포는 뇌 신경세포로 분비하여 연속적인 신경 전달이 이루어진다.

광수용세포의 과분극에 의해 활성화되는 수평세포(horizontal cell)는 외망상층에서 광수용세포에서 양극세포로의 신경전달을 조절하고, 양극세포에 의해 활성화되는 아마크린세포(amacrine cell)는 내망상층에서 양극세포에서 망막신경절세포로의 신경전달을 조절하여 물체 중심부와 주변부의 대비를 강화한다. 아마크린세포는 신경전달물질을 생성하는 특징에 따라 세분화되며, 양극세포와 망막신경절세포 사이 신경 전달을 증가 및 감소시킬 수 있다. 특히, 아마크린세포 중 아세틸콜린(acetylcholine)을 분비하는 성화상 아마크린세포(starburst amacrine cell)는 망막 전체에 일정 간격으로 위치하는데, 이웃하는 성화상 아마크린세포들 사이의 시간차 활성이 이들과 연결된 방향민감성 망막신경절세포(direction-selective retinal ganglion cell)로 전달되어 망막에 전달된 움직이는 물체의 상을 인식하게 한다.

그림 3. 망막의 수용영역(receptive field) 조절 기작. 중심부에 연결된 망막신경절세포는 빛이 중심부에 가해질 때만 활성화되며, 주변부에 연결된 망막신경절세포는 빛이 주변부에 가해질 때만 활성화되는 특징이 있다. 만약 전체 영역에 빛이 가해질 때는 이들 망막신경절세포들 모두가 활성화되지만 영역 특이적 자극보다 훨씬 낮은 수준의 활성도를 보인다. 이는 중심과 주변부 사이의 상호 억제 신경 연결로 빛의 대비를 강화하는 특징 때문으로 생각된다 (출처:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Receptive_field.png).

망막은 발달 초기 전뇌의 간뇌(diencephalon) 부위가 양쪽 옆으로 확장되어 생성된 안포(optic vesicle)가 훗날 수정체와 각막을 이루는 표피(epidermis) 조직과 접하는 부위에서 유래된다. 따라서, 망막의 구조와 기능적 특징은 간뇌 조직과 유사한 양상을 가진다. 안포 내에서 망막이 될 부위는 향후 망막색소상피세포와 시신경을 구성하는 신경교세포(optic nerve glia)로 발달할 안병(optic stalk) 부위 사이에 위치한다. 이들 조직 간 인접 부위와 경계를 유지하며 망막 조직으로 발달하기 위해서 섬유아세포 성장인자(fibroblast growth factor, FGF)가 필요한 반면, 안병 발달은 소닉헤지호그(sonic hedgehog, SHH), 망막색소상피세포 발달은 골형성 단백질(bone morphogenic protein, BMP)와 WNT와 같은 모르포겐이 필요하다. 

그림 4. 배아 신경조직에서 망막의 형성 과정. (A) 수정 48시간 이후 닭배아 전뇌부의 단면. (B) 수정 52시간 이후 닭배아 전뇌부의 단면 (출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gray864.png).

2011년 일본 세포 및 발달생물학 이화학연구소(RIKEN-CDB)의 요시키 사사이(Yoshiki Sasai)는 생쥐 배아줄기세포를 배양하면서 모르포겐들을 순차적으로 처리하여 신경외배엽을 생체 외에서 생성한 오가노이드(organoid)를 만들어 실재 구조와 유사하고 광수용까지 가능한 망막 조직 만드는데 성공하였다.

모르포겐의 효과는 각 영역에 특이적인 전사인자들을 발현함으로써 나타나는데, 망막 부위는 PAX6(paired homeobox 6), 안병부위는 PAX2(paired homeobox 2)와 VAX1(ventral anterior homeobox 1), 망막색소상피세포는 OTX2(orthodentricle homeobox 2)와 MITF(microphthalmia transcription factor 1) 등이 중요한 역할을 한다. 이들 외에도 소위 눈영역 전사인자(eye-field transcription factor, EFTF) 등의 국소적 발현이 눈의 형성에 중요하며, 이는 제노푸스(xenopus) 초기 배아세포에 EFTF의 발현만으로 눈을 만드는데 성공함으로써 증명되었다. 

눈(eye), 시각(vision), 광수용세포(photoreceptor)

1. Wikipedia ( )

2. Kolb, Helga. Simple Anatomy of the Retina. Webvision. Retrieved 1 Jan 2018.

3. Luo L (2015) Princpiples of Neurobiology. Garland Science. Garland Science. New York, NY. Chapter 4.