쥐의 뇌 커넥텀 (Mouse Brain Connectome)과 신경과학 연구의 미래

다음의 논문을 참고하였습니다. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867420310011

출처: Pixabay

연구 동기

뇌 연구는 항상 과학 탐구의 최전선에 서 있었습니다. 뇌가 어떻게 행동, 기억, 인지 등을 조절하는지 이해하는 것은 오랫동안 신경과학자들의 큰 목표였습니다. 쥐의 뇌 커넥텀(connectome)을 고해상도로 맵핑하는 것은 인간 게놈 프로젝트나 대규모 천문학 연구와 비견될 정도로 중요한 과학적 시도로 여겨집니다. 이러한 연구는 단순히 기존의 질문에 답하는 데 그치지 않고, 새로운 질문을 만들어내고 신경회로의 작동 원리를 완전히 새로운 방식으로 이해하게 만들 것입니다.

쥐의 신경 커넥텀을 세밀하게 맵핑하는 것은 행동과 기억, 학습과 같은 복잡한 신경 과정이 어떤 방식으로 연결되어 있는지를 이해할 수 있는 중요한 발판이 될 것입니다. 이를 통해 쥐의 뇌 구조가 어떻게 지능을 가능하게 하고, 더 나아가 인공 지능(AI)과 행동 과학의 발전에도 중요한 역할을 할 수 있습니다.

역사적 배경: 선구적인 연구와 발전

이 엄청난 프로젝트의 기원은 훨씬 더 단순한 생물인 Caenorhabditis elegans(예쁜꼬마선충)으로부터 시작되었습니다. 1986년, 생물학자인 시드니 브레너(Sydney Brenner)는 이 작은 벌레의 신경망을 수작업으로 커넥텀을 구축하기 시작했고, 마침내 302개의 뉴런으로 구성된 첫 번째 완전한 커넥텀을 만들어냈습니다. 이 업적은 “The Mind of a Worm”이라는 이름으로 알려졌으며, 현대 신경 커넥토믹스(connectomics) 연구의 기초를 다졌습니다.

당시 C. elegans의 커넥텀을 구성하는 데에는 수십 년의 연구와 수많은 수작업이 필요했으며, 비슷한 작업을 더 복잡한 동물인 쥐의 뇌에 적용하는 것은 불가능하다고 여겨졌습니다. 하지만 최근의 기술적 진보는 이러한 꿈을 현실로 만들었습니다. 전자 현미경을 통한 나노미터 해상도의 이미징과 자동화된 분석 방법의 발전으로 이제 훨씬 더 큰 생물의 뇌를 연구할 수 있는 가능성이 열렸습니다.

꼬마선충에서 쥐로 확장: 첨단 기술의 도입

지금까지의 커넥텀 연구에서 쥐의 뇌 커넥텀을 완전히 맵핑하는 것은 가장 어려운 과제로 여겨졌습니다. 쥐의 뇌는 약 7천만 개의 뉴런과 100억 개 이상의 시냅스로 이루어져 있으며, 예쁜꼬마선충에 비해 데이터의 양이 수백만 배 더 많습니다. 이러한 연구를 수행하기 위해서는 1백만 테라바이트 이상의 데이터를 다뤄야 하며, 이를 분석하기 위한 새로운 컴퓨터 알고리즘과 인프라가 필요합니다.

하버드 대학교, 구글 리서치, 앨런 연구소 등의 연구팀은 현재 이러한 과제를 해결하기 위해 협력하고 있습니다. 미 국립 보건원(NIH)의 BRAIN 이니셔티브로부터 자금을 지원받아, 쥐의 특정 뇌 영역인 해마(hippocampus) 부분을 먼저 연구하고 있습니다. 해마는 기억 형성 및 공간 탐색을 담당하는 중요한 뇌 부위로, 이 부분의 커넥텀을 연구함으로써 뇌가 경험을 어떻게 저장하고 학습하는지 이해할 수 있는 실마리를 제공할 것입니다​.

쥐 뇌 커넥텀의 잠재적 이점

쥐의 뇌 커넥텀을 완전히 맵핑하는 것은 다양한 과학적 혜택을 제공하며, 이는 단순히 쥐의 뇌를 이해하는 것 이상으로 인간 뇌 연구와 질병 이해에까지 중요한 영향을 미칠 것입니다. 다음은 주요 이점입니다:

 

1. 세포와 시냅스 연결의 무작위적 맵핑

커넥텀은 쥐의 뇌 내 모든 세포 유형의 정확한 해부학적 지도와 세포의 형태, 시냅스 파트너의 위치 등을 포함하는 완전한 카탈로그를 제공합니다. 이를 통해 각 신경 세포의 연결 및 시냅스 구조가 어떻게 행동과 기능에 기여하는지 연구할 수 있습니다​.

 

2. 뇌 내 연결과 투영 연구

쥐의 뉴런들은 특정한 연결 선호도를 가지고 있습니다. 특정 세포 유형에 주로 연결되는 경향을 분석함으로써, 이러한 연결이 어떻게 뇌의 특정 기능을 담당하는지에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.

 

3. 장기 기억의 구조 이해

연구자들은 장기 기억이 특정 신경회로의 연결 패턴에 의해 형성된다고 믿습니다. 서로 다른 경험을 가진 쥐의 커넥텀을 비교함으로써, 경험이 뉴런 간의 연결을 어떻게 변화시키는지를 밝혀내고, 기억이 저장되는 방식을 이해할 수 있습니다​

 

4. 신경 질환의 병리학적 연구

완전한 쥐의 커넥텀 연구는 자폐증, 조현병, 알츠하이머 등과 같은 뇌 질환의 원인을 밝히는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이러한 질병들은 종종 비정상적인 신경 연결과 관련이 있으며, 건강한 뇌와의 비교를 통해 어떤 회로가 변형되었는지를 파악하고, 이를 치료의 대상으로 삼을 수 있습니다​.

 

5. 인공지능 설계에 기여

쥐 뇌 커넥텀은 AI 시스템 설계의 청사진이 될 수 있습니다. 쥐의 뇌 구조를 모방하여 더 인간적인 학습, 기억, 의사 결정 과정을 구현하는 새로운 AI 모델을 개발할 수 있을 것입니다​.

기술적 과제와 고려사항

이 연구가 가져올 수 있는 잠재적 이점에도 불구하고, 쥐의 커넥텀을 완전히 맵핑하는 데는 다음과 같은 여러 기술적 과제가 따릅니다:

1. 일관된 염색 및 이미징: 대량의 뇌 조직을 고해상도로 염색하고, 이를 일관되게 이미징하는 것은 매우 어렵습니다. 작은 오류도 전체 구조에 큰 왜곡을 초래할 수 있습니다.
2. 무손실 단면화와 이미징: 뇌를 초박형 슬라이스로 자르고, 이를 나노미터 해상도로 손상 없이 이미징하는 것도 큰 도전 과제입니다.
3. 데이터 관리 및 분석: 방대한 양의 데이터를 저장하고, 이를 효과적으로 분석할 수 있는 인프라 구축과 새로운 알고리즘 개발이 필요합니다.
4. 재정적 비용: 초기 프로젝트 비용은 수억 달러에 이를 것으로 예상되며, 이러한 초기 비용을 감당하기 위한 정부 및 민간 기관의 지원이 필요합니다​.

미래의 방향

쥐 뇌 커넥텀을 완성하는 것은 신경과학의 전환점이 될 것입니다. 마치 인간 게놈 프로젝트가 유전학의 새로운 장을 열었던 것처럼, 쥐의 커넥텀은 뇌의 연결 원리와 기능에 대한 이해를 혁신적으로 바꿀 것입니다. 이러한 연구는 뇌 질환의 원인을 밝히고, 더 나아가 비인간 영장류나 인간의 뇌까지 확장할 수 있는 기반을 마련할 것입니다​.

향후 몇 년 내에 우리는 뇌의 신경 커넥텀을 해독함으로써, 인간의 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 통찰을 얻게 될 것입니다. 쥐 뇌 커넥텀은 단순한 지도가 아니라, 우리의 의식과 기억을 이해하는 데 있어 중요한 열쇠가 될 것입니다.