장 건강, 장 내 세균 건강이 운동의 동기와 연관이 되어 있다? 이런 질문에 대해서 최근 연구에서 나온 이야기를 가져와 보았습니다.
동물 실험: 장 내 세균 건강과 운동의 관계
펜실베니아 대학의 연구원들은 실험용 쥐를 관찰하면서, 어떤 실험용 쥐는 자신의 운동 바퀴를 좋아하지만 어떤 쥐는 좋아하지 않는 이유에 대해서 알아보고자 연구를 수행하였습니다.
어떤 요인이 영향을 주었는지, 많은 요인을 찾아보기 위해 새로운 방법을 고안했습니다. 연구자들은 기계 학습 알고리즘(machine-learning algorithm) 을 사용하여 생쥐 간의 활동 수준 차이를 설명할 수 있는 생물학적 특성을 찾았습니다. 그리고 그들이 발견한 사실은 그들을 놀라게 했습니다. 유전적인 차이는 운동에 거의 관련이 없는 것처럼 보였지만 장내 세균의 차이는 더 중요한 것으로 나타났습니다. 이전 몇 몇 연구에서 이를 뒷받침했습니다. 번성하는 장내 미생물군은 생쥐의 최적 근육 기능과 관련이 있습니다.
이 연구에서 연구원들이 생쥐에게 광범위한 항생제를 투여하여 장 내 세균 을 죽였을 때 쥐가 쳇바퀴를 달릴 수 있는 거리는 절반으로 떨어졌습니다. 그러나 항생제 사용을 중단한 뒤에 쥐들은 대부분 이전의 운동 수준을 회복했습니다.
이 연구는 2022년 12월 Nature 지에 발표되었습니다. 이 연구 결과는 장 내 세균 이 운동 욕구를 조절하는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다.
장 내 세균에 변화를 줌으로써 움직이게 할 수 있다?
이 연구는 쥐에게서 시행된 연구입니다. 만약 인간에게 확인되면 이 가설은 왜 절반에 달하는 미국인이 권장된 운동량을 달성하지 못 하는 것인지 이해할 수 있을 것입니다. 지금까지 사람들은 시간이 부족해서, 에너지가 없어서, 관심이 없어서 운동을 못 했다고 합니다. 그러나 그 이유가 사람들의 내장에 살고 있는 수 조 마리의 장 내 세균 (미생물) 때문일 수 있습니다.
또한 이 연구는 앉아 있는 사람을 소파에서 일어나게 하거나, 운동 능력을 최적화 하는 미생물 조정 방법으로 이어질 수 있을 것입니다. 이러한 차이가 왜 일어나는지, 연구자들은 뇌와 장의 연결에 초점을 맞췄습니다.
장-뇌 연결 Brain Gut Axis
뇌-장 축(Brain-gut axit) 은 뇌와 척수로 구성된 중추신경계(CNS)와 내장의 뉴런 네트워크인 장 신경계(ENS, enteric nervous system) 사이의 통신 경로를 포함하는 복잡한 시스템입니다. 이러한 경로는 두 시스템 사이의 정보 교환을 허용하고 뇌가 장의 운동성 및 장 내 소화 효소 분비 같은 소화 과정을 조절합니다. 또한 소화기관이 포만감과 배고픔을 알릴 수 있도록 되어 있습니다.
뇌간 Brainstem 에서 시작하여 복부를 통해 이동하는 미주 신경 Vagus nerve 은 뇌-장 축에서 중요한 역할을 합니다. 미주 신경은 CNS와 ENS를 연결하고 양방향으로 정보를 전송하는 역할을 합니다. 자율신경 계통에서 긴장감과 연결되는 “투쟁 또는 도피 Fight or flight” 반응을 활성화하는 교감신경계와 이완 및 소화를 촉진하는 부교감신경계가 뇌와 장 사이의 통신에 기여합니다.
연구에 따르면 스트레스와 불안은 과민성 대장 증후군(IBS) 및 염증성 장 질환(IBD)과 같은 장 기능 및 증상에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 반대 방향으로 장 내 세균 불균형과 장의 염증은 우울증, 불안 및 기타 기분 장애의 위험 증가를 포함하여 뇌 기능의 변화로 이어질 수 있습니다. 뇌-장 축은 소화 및 정신 건강을 조절하는 데 중요한 역할을 하는 동적 시스템입니다. 이 시스템에 대한 더 깊은 이해는 소화 및 정신 건강 장애를 치료하기 위한 보다 효과적인 접근 방식으로 이어질 수 있습니다.
장 내 세균 변화와 장 뇌 연결의 관계를 관찰
생쥐를 항생제로 치료한 후 연구원들은 쥐의 선조체(동기 부여를 담당하는 뇌 부분)에서 RNA를 시퀀싱했습니다. 그들은 세포의 도파민 수용체에서 감소된 유전자 발현을 발견했습니다. 이 수용체에서는 도파민을 방출하여 좋은 일을 성취한 것을 느끼게 합니다. 다시 말해 항생제로 치료 받은 쥐는 달리기 이후에 도파민 분비가 줄어들었습니다.
“뇌에 초점을 맞추고 나자 운동 능력에 대한 미생물의 영향이 중추 및 말초 신경계에 의해 매개된다는 것을 이해했습니다.”라고 연구 저자인 펜실베니아 대학의 미생물학자인 Christoph Thaiss 박사는 이야기 하였습니다. “이를 알고 나서 연구의 궤적이 완전히 바뀌었습니다.”
대장에 있는 박테리아가 정확히 어떻게 뇌에 신호를 보내는지 알아내기 위해 연구원들은 몇 년에 걸쳐 일련의 실험을 수행했습니다. 그들은 두 가지 유형의 박테리아인 Eubacterium rectale과 Coprococcus eutactus를 확인했습니다. 이 균주는 장내 엔도카나비노이드 수용체와 상호 작용하는 지방산 아미드 fatty acid amide 라는 화합물을 생성합니다.
이러한 체내 칸나비노이드 수용체는 뇌에 신호를 보내 도파민을 분해하는 화합물인 모노아민 옥시다제 monoamine oxidase 생산을 줄입니다. 이 변화는 도파민의 분해를 줄이기 때문에 결과적으로 도파민을 증가시킵니다. 그러면서 많이 달린 쥐는 뇌에 많은 도파민이 축적되어 기분이 좋아지고 곧 다시 쳇바퀴를 돌릴 수 있게 됩니다.
이 장-뇌 경로는 “꾸준한 신체 활동을 시작하게 하는 것과 위장관의 영양 상태를 연결하도록 진화했을 가능성이 있습니다.”라고 Thaiss 박사는 이야기 했습니다. 장 내 세균은 대장에 무엇이 있는지 모니터링하고, 운동을 하는 데 충분한 연료가 될 만큼의 음식이 있었는지를 뇌에 알려줍니다.
대장 또는 다른 위장관계에는 수백 가지의 다양한 종류의 박테리아를 포함한 수 조 개의 미생물이 존재합니다. 장내 세균총의 구성은 우리가 먹는 음식과 환경에 의해 결정된다고 알려져 있습니다.
“장 내 세균 에 대한 유전적 영향은 미미합니다.”라고 Thaiss는 이야기 했습니다. “하지만 라이프스타일 요인은 장 내 세균 구성에 큰 영향을 미칩니다.”
그는 사람이 5 km를 달리게 만들 수 있게 만들 수 있는, 동기 유발 박테리아의 성장을 촉진하기 위한 영양적인 개입을 개발해 내기를 희망한다고 합니다.
향후 연구 계획
앞으로 연구원들은 장이 인간의 동기 부여에도 영향을 미치는지 여부를 알아내야 합니다. 이를 위해 다양한 수준의 운동 동기를 가진 사람들의 장내 미생물 군집을 분석하고 있습니다.
“충분한 샘플을 통해 우리는 운동 동기가 있는 개인에게 존재하는 미생물 종의 상관 관계를 잠재적으로 연관시킬 수 있었습니다.
장내 세균총의 변화는 일부 사람들이 장거리 경주에서 느끼는 “러너스 하이 Runner’s High”를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 연구는 또한 웨이트 트레이닝이나 스포츠 참여를 촉진하는 데 도움이 될 수 있다고 희망합니다.
마인드웰의 한마디
장 뇌 연결, Brain Gut Axis는 아직 자세히 연구되지 않은 분야입니다. 이전에는 미신처럼 들려왔던 이야기들이지만 점차 과학적인 근거들을 갖춰가고 있는 영역이기도 합니다. 이 영역에 대한 이해를 통해 장 건강을 촉진함으로써 우울, 불안, 동기 등 정신적인 문제에 대한 해결책의 일부로 활용이 될 수 있기를 바랍니다.