몇 년 전만 해도 불가능해 보였던 성과가 오늘 국제 연구 컨소시엄에 의해 발표됨. 이들은 전체 과일파리 뇌의 완전한 배선 다이어그램을 공개함. 이 지도는 새로운 과학적 발견으로 이어지는 여러 논문과 함께 제공됨. 앞으로 더 많은 발전이 기대됨.
왜 우리는 뇌 지도가 필요할까?
모든 뉴런과 그들 간의 연결을 보여주는 지도를 연결체(connectome)라고 함. 첫 번째로 이렇게 매핑된 유기체는 1986년의 기념비적인 논문에서 전체 신경계를 설명한 선충(Caenorhabditis elegans)임. 이 연구는 C. elegans에 대한 연구의 미래를 형성했으며, 그 영향은 지금도 느껴짐.
하지만 C. elegans는 우리가 인식할 수 있는 뇌를 가지고 있지 않음. 기본적인 학습을 보여주지만, 인간의 뇌의 복잡성에 접근하려면 다른 곳을 봐야 함.
여기서 과일파리(Drosophila melanogaster)가 등장함. 과일파리는 신경과학에서 가장 유용한 모델 유기체 중 하나임.
“파리는 걷고, 날고, 탐색하며, 수컷은 암컷에게 노래를 부를 수 있는 복잡한 행동을 할 수 있음,”이라고 케임브리지 대학교의 그레고리 제퍼리스 박사가 설명함. 그들은 139,255개의 뉴런과 5천만 개 이상의 시냅스로 연결되어 이러한 모든 행동을 수행함.
“우리가 뇌가 어떻게 작동하는지 이해하려면 모든 뉴런이 어떻게 연결되어 생각하게 하는지에 대한 기계적 이해가 필요함,”이라고 제퍼리스는 계속 설명함. “대부분의 뇌에 대해 우리는 이러한 네트워크가 어떻게 작동하는지 전혀 알지 못함.”
그래서 많은 과학자들이 연결체 연구 분야에 힘을 쏟고 있으며, 이 수준의 뇌 매핑의 가치를 인식하고 있음.
우리는 어떻게 여기까지 왔을까?
FlyWire 컨소시엄은 최신 기술을 활용하고 전 세계의 수십 개 연구실의 전문 지식을 모아 과일파리 뇌의 전체 연결체를 제작하기 위해 출범함. 그러나 그들이 직면한 과제는 벅찼음. “불과 몇 년 전만 해도 성체 과일파리의 연결체를 완전히 얻는 것은 불가능해 보였음,”이라고 아니타 V. 데비넨이 새로운 논문과 함께 발표한 뉴스 및 견해 기사에서 씀.
C. elegans는 단 302개의 뉴런을 가지고 있음. 과거에 연구자들은 약 3,000개의 뉴런을 가진 유충 과일파리 뇌를 매핑했지만, 성체 과일파리는 거의 14만 개에 가까운 뉴런을 매핑해야 했음. 그리고 이것조차도 인간의 뇌에 비하면 미미한 수치임.
이 지도는 성체 암컷 과일파리의 2100만 개 이미지를 기반으로 시작됨. 인공지능(AI)의 도움으로 이미지를 정렬하고 개별 뉴런의 3D 재구성을 생성함. 이 “초안”은 세심하게 교정되어야 했고, 컨소시엄은 전 세계의 수백 명의 연구자와 시민 과학자들의 도움을 받음. 이 작업을 한 사람이 전일제로 수행했다면 무려 33년이 걸렸을 것임.
“2021년에는 단 15%의 뉴런만 교정되었음,”이라고 셸리 아베네볼리 박사가 다른 성명에서 말함. 그래서 불과 3년 만에 얼마나 많은 진전이 있었는지 생각하는 것은 놀라운 일임.
기존 데이터를 활용하여 모든 5천만 개의 시냅스를 식별하고 분류한 후, 지도를 “읽는” 작업이 진행됨. 한 논문에서 제퍼리스는 버몬트 대학교의 다비 복과 다른 동료들과 함께 뇌에서 발견되는 다양한 유형의 뉴런을 주석 달음. 총 8,400개 이상의 뉴런이 있으며, 그 중 4,500개 이상은 과학에 새롭게 추가된 것임.
여러 연구 프로젝트에서 생성된 3D 애니메이션을 통해 우리는 뇌의 다양한 부분을 깊이 들여다볼 수 있음. 여기서는 파리의 청각 뉴런으로 날아가고, 암컷이 잠재적인 짝의 노래를 감지하는 데 사용하는 세포를 볼 수 있음.
그리고 여기서는 파리의 내부 나침반의 일부인 EPG 링 주위를 확대할 수 있음.
이 CT1 뉴런은 두 개 중 하나로, 각각 전체 눈을 가로지르며 14만 개 이상의 시냅스를 포함하고 있음.
앞으로 우리는 어디로 가야 할까?
이것은 놀라운 돌파구이지만, 인간의 뇌에 대해 비슷한 것을 보려면 아마도 시간이 더 걸릴 것임. 전체 과일파리는 1mm도 안 되는 크기이며, 전체 인간의 뇌는 상상할 수 없을 정도로 더 복잡함.
팀은 이미 또 다른 목표를 염두에 두고 있음. “과일파리의 뇌는 전체 쥐 뇌의 배선 다이어그램을 재구성하는 길에 있는 이정표임,”이라고 프린스턴 대학교의 세바스찬 승 박사가 연구의 공동 리더로서 언급함.
FlyWire가 무엇을 성취할 수 있는지를 보여주었으므로, 같은 접근 방식을 점진적으로 확장하여 더 큰 도전에 도전할 수 있는 이유가 없음. 그리고 그 사이에 연결체는 이미 인간에게도 중요한 의미를 가질 수 있는 연구를 촉진하고 있음. “연결성을 추적하기 위해 해부학적 실험에 소요된 수년의 작업이 FlyWire 웹사이트에서 몇 번의 클릭으로 대체될 것임,”이라고 데비넨이 씀.
파리는 우리의 DNA의 60%를 공유하며, 우리의 뇌가 작동하는 방식에도 많은 유사점이 있음. 이 새로운 뇌 지도의 출판은 신경과학 연구의 방향을 수십 년 동안 형성할 진정한 이정표가 될 것임.
