대뇌 피질이 도시의 행정구역이라면, 시상은 우체국이고, 시상하부는 항온 장치이며, 선조체는 교통 관제탑이고, 뇌간은 발전소다. 피질의 고차 기능이 주목받는 사이, 이 영역들은 감각 정보를 중계하고, 운동을 조율하고, 각성과 기분을 조절하는 필수적인 일을 묵묵히 수행한다. 하지만 이 영역들의 세포 다양성은 오랫동안 피질에 비해 탐구가 덜 되어 있었다.
최근의 단일 세포 전사체 아틀라스는 이 비-피질 영역들이 피질 못지않게 — 때로는 그 이상으로 — 복잡한 세포 구성을 가지고 있음을 밝혀내고 있다. 특히 뇌간의 세포 다양성은 피질의 단순한 흥분성/억제성 이분법이 통하지 않는 세계를 보여준다. 이 챕터에서는 시상, 선조체, 중뇌/뇌간의 세포 유형 지도를 따라가며, 피질 밖의 뇌가 어떻게 조직되어 있는지를 살펴본다.
시상(thalamus)은 전통적으로 피질로 가는 감각 정보의 “중계소(relay station)“로 여겨져 왔다. 시각은 외측슬상핵(LGd)을 거쳐 시각 피질로, 체성감각은 복측후핵(VB)을 거쳐 체성감각 피질로 전달된다. 각 감각 양식(modality)마다 시상의 특정 핵을 경유하여 피질의 대응 영역으로 정보가 전달되므로, 시상은 오랫동안 단순한 전달 장치로 인식되어 왔다. 그러나 시상은 단순히 신호를 통과시키는 것이 아니라 정보를 걸러내고 조절하는 능동적 역할을 수행하며, 그 분자적 조직 원리는 기능적 분류와는 다른 차원에서 작동한다. 시상의 뉴런을 분자 수준에서 분류하면, 감각 양식이 아닌 전혀 다른 기준이 떠오른다.
Phillips et al. (2019) 연구는 마우스 22개 시상 핵에서 피질 투사 표적으로부터의 역행 표지(retrograde labeling)와 단일 세포 RNA 시퀀싱을 결합하여, 시상 뉴런이 세 가지 분자 프로파일을 따라 연속적 경사(gradient)를 이룬다는 것을 발견했다.
| 프로파일 | 대표 핵 | 위치 | 핵심 마커 | 활동전위 | 피질 투사 | 기능 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Primary | LGd, VB, MGv | 외측 | PVALB, KCNC1, KCNC3, SCN8A | 가장 좁음 (빠른 동역학) | 중간층 (core) | 1차 감각 중계 |
| Secondary | LP, PO | 중간 | 중간 발현 | 중간 | 1층 광범위 (matrix) | 고차 연합 |
| Tertiary | CM, PF, MD | 내측/판내 | CALB1, 신경조절 수용체 | 가장 넓음 (느린 동역학) | 미약한 1층; 일부 미상핵 | 각성, 변연계 통합 |
이 분류의 핵심적 통찰은 세 프로파일이 모든 투사 시스템에서 반복된다는 것이다. 시각계에서도, 체성감각계에서도, 청각계에서도 — 각 계통 안에서 외측(primary)에서 내측(tertiary)으로의 분자적 경사가 나타난다. 시각 중계 뉴런(LGd)은 같은 시각계의 고차 핵(LP) 뉴런보다 체성감각 중계 뉴런(VB)과 더 유사하다. 즉 시상의 분자적 정체성은 감각 양식(modality)이 아니라 내측-외측 위치에 의해 결정된다.
또한 이 경사는 이산적 유형이 아니라 연속체(continuum)다. 다중 FISH 검증에서 중간적인 마커 공발현 세포들이 확인되었고, 단일 세포 클러스터는 서로 다른 투사 시스템의 뉴런을 유사한 PC1 위치에서 혼합했다. 이 발견은 기존의 Core/Matrix 분류(Jones 1998), First-order/Higher-order 분류(Sherman & Guillery)를 하나의 통합된 분자적 프레임워크로 묶어준다. 이 경사 원리는 종간에도 보존되어 있어, 인간 시상 마이크로어레이 데이터를 마우스 PC1 축에 투영하면 동일한 핵 분리가 재현된다.
발달 중인 인간 시상은 에서도 주목할 만한 발견이 있었다. Kim et al. (2023) 연구는 임신 1삼분기와 2삼분기의 인간 태아 시상에서 15명의 개체로부터 164,369개 세포의 아틀라스를 구축하고 MERFISH 공간 전사체학으로 검증했다 — 발달 중인 인간 시상의 첫 포괄적 세포 유형 아틀라스다.
시상의 글루탐산성(흥분성) 뉴런은 두 가지 주요 아형, EN1과 EN2로 나뉜다. EN1은 NTS(뉴로텐신), S100A6, SOX2를 발현하고, EN2는 RNF220, CRTAC1, FOXP2를 발현한다. 이 두 아형은 공간적으로, 분자적으로 구별되는 시상 핵으로 조직된다.
하지만 가장 주목할 만한 발견은 GABAergic 뉴런의 인간 특이적 확장이다. 마우스 시상에는 억제성 인터뉴런이 극소수이지만, 인간 시상에서는 수와 다양성이 대폭 증가한다. 대부분의 인간 시상 GABAergic 뉴런은 2삼분기 동안 신경절 융기(ganglionic eminence)에서 이주해 온다 — 마치 Chapter 11에서 본 피질 억제성 뉴런의 이주와 유사하지만, 도착지가 시상이라는 점에서 다르다. 이 이주 억제성 뉴런의 일부는 인간 특이적일 가능성이 있는 아형을 포함한다.
흥미롭게도 시상에는 CRABP1을 발현하는 중뇌 유래 억제성 뉴런도 존재한다. 이 세포들은 전사체적으로 중뇌 뉴런과 더 유사하며, 배아기에 중뇌에서 시상으로 이동해 온 것으로 보인다 — 시상이 단순히 자체 생산한 세포로만 구성된 것이 아니라 여러 발생 영역의 산물이 합류하는 교차로임을 보여준다. 또한 시상의 교세포 발생은 임신 약 16주에 완료되는데, 이는 피질(약 20주)보다 빠르며, 내측에서 외측으로의 성숙 경사를 따른다.
시상에는 감각 중계와는 전혀 다른 기능을 하는 핵이 있다. 등쪽 정중선, 제3뇌실에 인접한 부실핵 시상(paraventricular thalamus, PVT)이 그것이다. PVT는 감각 정보를 피질로 전달하지 않는다. 대신 뇌간(각성), 시상하부(대사 상태), 전전두 피질(인지 평가)의 입력을 받아 측좌핵(nucleus accumbens), 편도체, 내측 전전두 피질로 투사한다 — 스트레스 반응, 보상 평가, 각성, 일주기 조절, 기분 조절의 변연계 통합자(limbic integrator)다.
PVT 뉴런의 분자적 정체성은 독특하다. 글루탐산성(SLC17A6/VGLUT2+)이면서 CALB1, CALB2(칼레티닌)를 발현하고, 도파민 신호전달 유전자(MOXD1, SNCA, PRKN, DRD2)가 풍부하다. 가장 의외의 특성은 심장근 유전자와의 중첩이다 — HCN4(박동기 채널), CACNA1G(T-type Ca²⁺ 채널), CASQ2가 발현되어 박동기 유사 특성(pacemaker-like property)을 시사한다.
Nishioka et al. (2026) 연구는 양극성장애 환자 21명과 대조군 20명의 사후 내측 시상과 전두 피질에서 383,130개 핵의 단일 핵 RNA 시퀀싱을 수행했다. 그 결과가 주목할 만하다. 모든 검사된 세포 유형 중에서 PVT 뉴런이 가장 극적인 이상을 보였다 — 구성 비율이 약 50% 감소(FC = 0.55, FDR = 0.00488)하고, 차등 발현 유전자의 수도 모든 세포 유형 중 최대였다. 면역조직화학(VGLUT2 염색)으로도 감소가 검증되었다(FC = 0.53, P = 0.00781).
PVT 뉴런에서 하향 조절된 유전자들은 시냅스 전달과 이온 채널 경로에 집중되었으며, 단백질-단백질 상호작용 네트워크의 핵심 허브는 SHISA9(AMPA 수용체 조절자, 36개 BD GWAS 신뢰 유전자 중 하나), CACNA1C(L-type Ca²⁺ 채널, BD 최상위 GWAS 유전자좌), KCNQ3(K⁺ 채널)였다. MAGMA 분석에서 이 하향 조절 유전자들은 BD 유전적 위험에 유의하게 포함되어 있었지만(P = 0.00123), 주요우울장애(MDD)에는 포함되지 않았다 — BD 특이적 병리 기전임을 시사한다. 더 나아가, PVT 뉴런과 미세아교세포 사이의 상호작용 장애도 발견되었다. 시냅스 유전자 SYNDIG1, CYFIP1, TIAM1이 PVT 뉴런과 미세아교세포 양쪽에서 동시에 하향 조절되었다 — 세포 간 소통의 단절이 BD 병리의 한 축일 수 있음을 보여준다.
이 결과는 양극성장애의 주요 병리 기질이 피질이 아니라 시상의 특정 핵에 있을 수 있다는 도발적인 가능성을 제시한다.
시상하부(hypothalamus)는 뇌에서 가장 작은 영역 중 하나이지만, 기능의 범위로 따지면 가장 넓다. 배고픔과 포만감, 수면과 각성, 체온 조절, 스트레스 반응, 성 행동, 모성 행동, 일주기 리듬 — 우리 몸의 항상성(homeostasis)을 유지하는 거의 모든 기능이 이 작은 구조물에서 조율된다. 더 특이한 것은, 시상하부의 뉴런들은 뇌의 다른 뉴런들과 달리 호르몬을 혈액으로 직접 분비하는 신경내분비(neuroendocrine) 기능을 수행한다는 점이다. 뇌와 몸이 만나는 접점, 신경계와 내분비계가 하나로 합쳐지는 장소가 바로 시상하부다.
Herb et al. (2023) 연구는 인간 태아(임신 약 6-25주, 11명)와 성인(3명, 29-50세) 시상하부에서 총 241,096개 세포의 단일 세포 유전체학 아틀라스를 구축했다. 그 결과 10개 시상하부 핵에 걸쳐 108개의 전사체적으로 구별되는 뉴런 아형이 정의되었다. 피질의 뉴런이 층(layer)과 투사 표적에 따라 분류되는 것과 달리, 시상하부의 뉴런은 신경펩타이드와 핵(nucleus)의 조합으로 정체성이 결정된다. 마치 피질이 우편번호와 건물 층수로 주소를 정하는 도시라면, 시상하부는 직업과 소속 부서로 사람을 구분하는 회사와 같다.
10개 핵의 세포 유형 지도에서 특히 주목할 만한 것들을 살펴보자.
궁상핵(arcuate nucleus)은 에너지 균형의 조절 센터다. TBX3를 발현하는 이 핵에는 서로 정반대의 기능을 하는 두 뉴런 집단이 공존한다. AGRP/NPY 뉴런은 배고픔 신호를 보내고, POMC 뉴런은 포만 신호를 보낸다. 이 두 집단은 렙틴과 인슐린에 반대 방향으로 반응하면서 에너지 섭취의 균형을 맞춘다. 마치 자동차의 가속 페달과 브레이크가 같은 대시보드에 나란히 있는 것처럼, 먹으라는 신호와 그만 먹으라는 신호가 같은 핵 안에서 경쟁하는 것이다. 방실핵(paraventricular nucleus)은 스트레스 반응과 체액 균형의 사령탑이다. SIM1/POU3F2를 발현하며, CRH(부신피질 자극 호르몬 방출 호르몬) 뉴런은 뇌하수체를 통해 스트레스 반응의 HPA축을 가동시킨다. AVP(바소프레신) 뉴런은 신장에서 수분 재흡수를 조절하고, OXT(옥시토신) 뉴런은 사회적 유대, 수유, 분만에 관여한다. 하나의 핵에서 스트레스, 수분, 사회성이라는 전혀 다른 기능이 서로 다른 뉴런 집단에 의해 독립적으로 수행되는 것이다.
시상하부의 다른 핵들도 각각 고유한 기능과 세포 구성을 가지고 있다. 시교차상핵(suprachiasmatic nucleus)은 포유류의 생체 시계, 즉 일주기 리듬(circadian rhythm, 약 24시간 주기로 반복되는 생체 리듬)의 마스터 클럭이다. RGS16/RELN을 발현하는 이 핵의 모든 뉴런은 GABAergic(억제성)이다. VIP 뉴런은 빛에 의해 동기화되는 핵심 시계 세포이고, AVP 뉴런과 GRP 뉴런은 시계의 출력과 빛 입력 중계를 담당한다. 외측 시상하부에는 각성과 동기를 조절하는 HCRT(오렉신/하이포크레틴) 뉴런이 있다. 오렉신 뉴런이 소실되면 기면증(narcolepsy), 즉 갑자기 잠이 드는 질환이 발생하며, 같은 핵의 MCH 뉴런은 REM 수면에 관여한다. 유두뇌실핵(tuberomammillary nucleus)에는 뇌에서 유일하게 히스타민을 신경전달물질로 사용하는 HDC+ 뉴런이 있는데, 항히스타민제를 먹으면 졸리는 이유가 바로 이 뉴런의 각성 기능이 억제되기 때문이다.
시상하부에는 뇌의 다른 곳에서는 찾아볼 수 없는 고유한 세포 유형도 존재한다. 띠뇌실막세포(tanycyte)는 제3뇌실을 감싸는 방사 글리아 유사 세포로, 네 가지 분자적 아형(α1, α2, β1, β2)으로 나뉜다. RAX와 CRYM(갑상선 호르몬 결합 단백질)을 공통적으로 발현하며, 임신 약 6주라는 매우 이른 시기에 이미 나타난다. β2 아형은 정중 융기(median eminence)의 모세혈관과 직접 접촉하여 호르몬을 문맥 혈액으로 수송하며, 포도당과 렙틴을 감지하는 대사 센서로서 기능한다. 또한 성인기에도 신경줄기세포로서의 잠재력을 유지할 가능성이 제기되고 있다.
시상하부의 발달 프로그램도 다른 뇌 영역과 구별되는 특성을 가진다. 시상하부 전구세포는 SIX3/SIX6를 발현하여 시상(TCF7L2)이나 시상전부(PAX6)의 전구세포와 구별된다. 임신 약 6-12주에 신경 생성이 주를 이루고, 15-25주에 교세포 생성 물결이 뒤따른다. 주목할 점은 임신 약 7주에 나타나는 교세포성 중간 전구세포(gliogenic IPC)로, ASCL1+/EGFR+/OLIG1+/OLIG2+이면서 PDGFRA 음성인 이 세포는 성상세포와 희소돌기세포 양쪽으로 분화할 수 있는 이중 잠재력(bipotential)을 유지한다. 이것은 피질에서 OPC가 직접 희소돌기세포로 분화하는 경로와는 다른, 시상하부만의 독특한 교세포 발생 경로다.
종간 비교에서 시상하부는 뇌의 다른 영역보다 높은 수준의 보존을 보인다. Herb et al. (2023)의 분석에서 인간 108개 뉴런 클러스터 중 105개(97%)가 마우스의 대응 클러스터와 AUROC > 0.8로 매칭되었다. 그러나 보존된 세포 유형 안에서도 종 특이적 차이는 존재한다. 인간 POMC 뉴런에서는 PGR(프로게스테론 수용체), THRB(갑상선 호르몬 수용체)가 풍부하여 인간 특이적 갑상선-대사 연결을 시사하고, 방실핵의 AVP 뉴런에서는 NR3C1(글루코코르티코이드 수용체)가 풍부하여 인간 특이적 스트레스 반응 조절이 존재할 가능성을 보여준다. 또한 신경전달물질 사용에서도 종간 차이가 관찰된다 — 마우스에서 궁상핵과 등내측핵은 주로 GABAergic이지만, 인간에서는 글루탐산성과 GABAergic이 혼재하는 패턴을 보인다.
선조체(striatum)는 대뇌 피질의 층 구조와는 완전히 다른 방식으로 조직되어 있다. 층(layer) 대신 패치(patch, 또는 striosome)와 매트릭스(matrix)라는 두 개의 구획이 서로 끼워 넣어진(interdigitated) 모자이크를 이룬다. 이 구획화는 선조체의 기능적 조직의 핵심이다.
선조체 뉴런의 약 90%는 중형 가시 뉴런(medium spiny neuron, MSN)이며, 크게 D1 MSN(직접 경로, DRD1+)과 D2 MSN(간접 경로, DRD2+)으로 나뉜다. 교과서적 모델에서 D1 MSN은 운동을 촉진하고 D2 MSN은 운동을 억제한다. 하지만 Dong et al. (2025)의 연구는 이 이분법이 지나치게 단순화된 것임을 보여주었다.
직접 경로(D1) 안에서도 분자적으로 구별되는 두 아형이 정반대의 운동 기능을 수행한다. CALB1을 발현하는 매트릭스 dSPN은 보행 시작 시 활성화되며 흑질 그물핵(SNr)으로 투사하여 도파민 방출을 증가시키고 운동을 촉진한다. 반면 KREMEN1을 발현하는 패치 dSPN은 보행 종료 시 활성화되며 흑질 치밀핵(SNc)의 도파민 뉴런 주위에 “부케(bouquet)” 형태의 축삭 구조를 형성하고, GABBR1을 통해 ALDH1A1+ 도파민 뉴런을 억제하여 운동을 종료시킨다. 하나의 직접 경로 안에서 “가속 페달”과 “브레이크 페달”이 공존하는 것이다.
선조체의 인터뉴런도 다양한 분류 체계를 가지고 있다. Garma et al. (2024) 연구는 인간 등쪽 선조체(미상핵과 피각)에서 455,886개 핵을 시퀀싱하고, 인터뉴런 19,339개를 분리하여 8개 주요 유형, 14개 아유형의 분류 체계를 확립했다. PTHLH+와 TAC3+ 유형이 가장 풍부했으며, 이 중 TAC3+ 인터뉴런은 영장류 특이적으로, 마모셋에서도 확인되었지만 마우스에서는 보고되지 않았다. 콜린성 인터뉴런(CHAT+)은 긴장 활성 뉴런(tonically active neuron, TAN)으로 지속적으로 발화하며, PVALB+ 인터뉴런은 빠른 스파이킹으로 주변 MSN에 강력한 억제를 가한다. SST/NPY 인터뉴런과 CCK/VIP 인터뉴런(꼬리 신경절 융기 유래 특성)도 확인되었다. 미상핵과 피각 사이에는 인터뉴런 아유형의 풍부도와 전사체적 프로파일에서 뚜렷한 차이가 존재했다.
중뇌의 도파민(DA) 뉴런은 수가 적지만 — 인간 흑질의 DA 뉴런은 약 40만-60만 개에 불과하다 — 운동, 보상, 동기, 사회적 인지에 걸쳐 뇌 기능에 미치는 영향은 막대하다. Siletti et al. (2023) 연구의 뇌 전체 아틀라스(300만 핵 이상)에서 DA 뉴런은 3개 대분류, 14개 아클러스터로 세분화되었다.
| 대분류 | 위치 | 핵심 마커 | 기능 |
|---|---|---|---|
| A9 (흑질 치밀핵) | SNc | TH, SOX6, ALDH1A1, KCNJ6 | 흑질선조체 경로 — 운동 조절; 파킨슨병에서 선택적 취약 |
| A10 (복측 피개 영역) | VTA | TH, CALB1, OTX2, VIP | 중변연계/중피질 경로 — 보상, 동기, 사회적 인지 |
| 공-GABA성 DA | 산재 | TH, GAD2 | 이중 신경전달물질 정체성 — 도파민 + GABA |
파킨슨병에서 가장 먼저, 가장 심하게 손상되는 것은 A9 그룹 내에서도 ALDH1A1을 발현하는 아집단이다. 반면 CALB1을 발현하는 A10 뉴런은 상대적으로 보존된다 — 칼슘 결합 단백질의 보호 효과가 제안된다. ALDH1A1+ 뉴런은 앞서 본 선조체의 Kremen1+ 패치 dSPN으로부터의 피드백 표적이기도 하다.
인간 DA 뉴런에는 진화적 딜레마가 숨어 있다. Nolbrant et al. (2024) 연구는 인간, 침팬지, 오랑우탄, 마카크의 iPSC 유래 중뇌 오가노이드에서 73,077개 핵의 비교 전사체 분석을 수행했다. 인간의 전전두 피질 표적 영역은 마카크보다 18배 확장되었고, 선조체 표적 영역은 6.8배 확장되었으며, 흑질에서 미상핵까지의 섬유 경로 길이는 2.5배 늘어났다. 각 DA 뉴런이 서비스해야 할 투사 영역이 막대하게 확대된 것이다.
이 해부학적 확장에 대응하여 인간 DA 뉴런은 미토콘드리아 축삭 수송과 활성산소종(ROS) 완충 프로그램을 특이적으로 상향 조절했다. 로테논(rotenone) 유도 산화 스트레스 실험에서 인간 특이적 신경보호 반응이 확인되었다. 하지만 이것은 양날의 검이다 — 확장된 전뇌 연결성은 인간의 인지를 가능하게 하지만, 동시에 DA 뉴런에 극도의 대사 부담을 지워 파킨슨병에 대한 취약성을 만든다. 진화가 인지 능력의 대가로 신경퇴행 위험을 높인 것이다.
DA 뉴런은 파킨슨병뿐 아니라 자폐스펙트럼장애와도 연결된다. Li et al. (2025) 연구는 ASD 고위험 유전자 SCN2A(전압 개폐 나트륨 채널 NaV1.2를 암호화)가 VTA DA 뉴런에서 주요 나트륨 채널 이소형임을 보여주었다. VTA DA 뉴런에서 Scn2a를 선택적으로 결손시키면 자발적 발화 빈도가 감소하고, 17.1%의 “침묵” 뉴런이 나타나며, 측좌핵에서의 도파민 방출이 유의하게 감소한다. 행동적으로는 과활동, 사회성 저하, 불안 감소가 관찰된다. 흥미롭게도 같은 SCN2A 변이가 피질 피라미드 뉴런에서는 과흥분성을 일으키지만 VTA DA 뉴런에서는 저흥분성을 유발한다 — 동일한 유전자가 세포 유형에 따라 정반대 효과를 내는 것이다. 급성 레보도파 투여는 비운동 행동 결핍을 개선했다.
뇌간(brainstem)은 단일 세포 전사체 연구에서 분류가 가장 어려운 영역이다. 대뇌 피질에서는 뉴런을 흥분성과 억제성으로 깔끔하게 나눌 수 있다. 흥분성 뉴런은 글루탐산을 분비하고, 억제성 뉴런은 GABA를 분비하며, 이 두 범주가 피질 뉴런의 거의 전부를 설명한다. 그러나 뇌간에서는 이 경계가 무너진다. “파편 뉴런(splatter neuron)“이라는 이름이 붙은 상위클러스터가 이 독특한 특성을 보여준다(Siletti et al. 2023). 이 상위클러스터 안에는 흥분성 뉴런과 억제성 뉴런이 함께 들어 있고, 세로토닌성 뉴런, 도파민성 뉴런, 그리고 여러 신경전달물질과 신경펩타이드를 조합적으로 발현하는 뉴런이 공존한다. 마치 생물학적 분류에서 포유류와 조류가 명확히 나뉘지만, 오리너구리처럼 양쪽의 특성을 모두 가진 존재가 있는 것과 비슷한 상황이다.
세로토닌은 기분, 수면, 식욕을 조절하는 신경전달물질로 잘 알려져 있지만, 세로토닌을 분비하는 뉴런 자체의 다양성은 오랫동안 제대로 파악되지 못했다. FEV와 SLC6A4를 발현하는 세로토닌 뉴런에서 14개 아클러스터가 확인되었다. 이들은 크게 두 그룹으로 나뉘는데, 전뇌로 투사하여 기분과 불안을 조절하는 주둥이 그룹(EN1, HMX3 발현)과, 척수로 투사하여 통증과 운동을 조절하는 꼬리 그룹(HOX 유전자 발현)이다. 많은 세로토닌 뉴런이 글루탐산성 또는 GABAergic 마커를 동시에 발현하는데, 하나의 뉴런이 세로토닌과 함께 다른 신경전달물질을 동시에 사용하는 이 복합 공발현 패턴은 뇌간의 규칙이지 예외가 아니다.
뇌간에서 세포 유형의 밀도가 가장 높은 곳은 부완핵(parabrachial nucleus)이다. 이 비교적 작은 구조에서 147개 이상의 아클러스터가 확인되었는데, 이는 뇌에서 단위 부피당 가장 높은 세포 유형 밀도에 해당할 수 있다. PHOX2B, FOXP2, LMX1B, PAX5 같은 전사인자가 이 다양성의 분자적 기반을 이루며, 내장 감각, 각성, 호흡 조절 등 다양한 자율 기능을 지원한다. 왜 이렇게 작은 구조에 이토록 많은 세포 유형이 필요한가? 부완핵은 내장에서 올라오는 다양한 감각 신호(통증, 온도, 맛, 내장 팽창)를 받아 각각에 적절한 반응(경각, 구역, 회피, 호흡 조절)을 내보내야 하기 때문에, 각 입력-출력 조합에 대응하는 전문화된 뉴런 집단이 필요한 것으로 생각된다.
뇌간의 이러한 세포 다양성은 피질의 조직 원리와 근본적으로 다른 패러다임을 반영한다. 피질의 뉴런은 국소 회로를 구성하여 정보를 처리하지만, 뇌간의 모노아민 뉴런(도파민, 세로토닌, 노르에피네프린)은 뇌 전체에 걸쳐 확산 투사(diffuse projection)를 형성한다. 피질에는 층과 기둥이 있지만, 뇌간의 많은 영역은 그물형성체(reticular formation)처럼 핵 구조가 아닌 확산 네트워크로 조직된다. 그리고 피질의 뉴런은 대부분 하나의 신경전달물질을 사용하지만, 뇌간의 뉴런은 두세 가지 신경전달물질을 동시에 사용하는 것이 예외가 아니라 규칙이다.
이처럼 비-피질 영역의 세포 지도가 완성되어 갈수록, 대뇌 피질에서 발전한 세포 분류의 원리가 뇌 전체에 보편적으로 적용되지 않는다는 사실이 명확해지고 있다. 시상의 연속적 경사, 선조체의 패치/매트릭스 구획, 뇌간의 혼합 신경전달물질 뉴런은 각각 고유한 조직 논리를 따르며, 이 다양한 논리들의 총합이 뇌를 뇌답게 만든다.
Dong, Z., et al. (2025). Molecularly distinct striatonigral subtypes have opposite locomotor functions. Nature.
Garma, L. D., Harder, L., Barba-Reyes, J. M., et al. (2024). Interneuron diversity in the human dorsal striatum. Nature Communications, 15, 6089. doi:10.1038/s41467-024-50414-w
Herb, B. R., Glover, H. J., Bhaduri, A., et al. (2023). Single-cell genomics reveals region-specific developmental trajectories underlying neuronal diversity in the human hypothalamus. Science Advances, 9, eadf6251.
Jones, E. G. (1998). Viewpoint: The core and matrix of thalamic organization. Neuroscience, 85, 331–345.
Kim, C. N., Shin, D., Wang, A., & Nowakowski, T. J. (2023). Spatiotemporal molecular dynamics of the developing human thalamus. Science, 382, eadf9941. doi:10.1126/science.adf9941
Li, M., et al. (2025). VTA dopamine neurons mediate ASD-like social deficits via SCN2A hypofunction. Nature Neuroscience.
Liu, H., et al. (2025). Single-cell multiomic atlas of Alzheimer’s disease progression across six brain regions. Cell.
Nishioka, M., Sakashita-Kubota, M., Iijima, K., et al. (2026). Disturbances of paraventricular thalamic nucleus neurons in bipolar disorder revealed by single-nucleus analysis. Nature Communications, 17, 5892. doi:10.1038/s41467-025-68094-5
Nolbrant, S., et al. (2024). Human-specific features of midbrain dopaminergic neurons revealed by interspecies organoid models. Cell Stem Cell.
Phillips, J. W., et al. (2019). A repeated molecular architecture across thalamic pathways. Nature Neuroscience, 22, 1925–1935.
Siletti, K., et al. (2023). Transcriptomic diversity of cell types across the adult human brain. Science, 382, eadd7046.
주요 용어 안내
시상(thalamus): 거의 모든 감각 정보가 피질로 전달되기 전에 경유하는 뇌의 구조. 30개 이상의 핵으로 나뉘며, 감각 중계뿐 아니라 각성, 기분 조절, 변연계 통합에도 관여한다.
시상하부(hypothalamus): 체온, 배고픔, 수면, 스트레스, 일주기 리듬 등 몸의 항상성을 조절하는 뇌 구조. 뉴런이 호르몬을 혈액으로 직접 분비하는 신경내분비 기능을 수행한다.
중형 가시 뉴런(medium spiny neuron, MSN): 선조체 뉴런의 약 90%를 차지하는 세포. D1 MSN(직접 경로)과 D2 MSN(간접 경로)으로 나뉘어 운동의 시작과 억제를 조절한다.
띠뇌실막세포(tanycyte): 시상하부 제3뇌실을 감싸는 방사 글리아 유사 세포. 포도당과 렙틴을 감지하는 대사 센서이자, 호르몬을 문맥 혈액으로 수송하는 역할을 한다.
파편 뉴런(splatter neuron): 뇌간에서 발견된, 흥분성과 억제성 마커를 동시에 발현하는 뉴런. 피질의 흥분성/억제성 이분법이 뇌간에서는 적용되지 않음을 보여준다.