초파리 뇌 지도 완성: 생명과학의 새로운 패러다임, 뇌질환 치료의 희망?

초파리는 걷고 날아다니며, 수컷은 짝을 구하기 위해 연가를 부릅니다. 이러한 모든 행동은 핀 머리 크기도 안 되는 작은 뇌로 이루어집니다. 지난 2024년 10월 경 초파리의 뇌 지도, 즉 커넥톰이 완성되면서 약 13만 개의 뉴런과 5000만 개 이상의 시냅스가 상세히 밝혀졌습니다. 이는 성체 동물의 뇌에 관한 연구 중 가장 복잡한 부분까지 밝혀낸 사례로, 인간 뇌 연구에도 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.

초파리 뇌 커넥톰의 중요성
연구의 배경: 초파리 뇌의 커넥톰 연구는 신경과학계에 큰 변화를 가져올 것으로 예상되며, 프린스턴 대학교의 말라 머시 박사는 이 연구가 건강한 뇌의 작동 과정을 이해하는 데 도움이 될 것이라고 밝혔습니다.

 

특히 과학자들이 연구 대상으로 초파리를 선정한 이유는 다음과 같습니다. 

1) 유전적 유사성: 초파리는 인간과 70%의 유전자를 공유하고 있어, 인간의 뇌 질환 연구에 중요한 실험 동물로 활용됩니다.
2) 간단한 구조: 초파리의 뇌는 크기가 1mm도 안 되지만, 약 14만 개의 뉴런과 5천만 개 이상의 시냅스를 포함하고 있어 복잡한 신경망을 연구하기에 적합합니다.

 

인간 뇌 연구에의 기여: 영국 케임브리지의 그레고리 제퍼리스 박사는 초파리 뇌 연구가 인간 뇌의 네트워크 상호작용을 이해하는 데 중요한 열쇠가 될 것이라고 설명했습니다.

 

초파리 뇌의 구조와 기능
뉴런과 시냅스: 초파리의 뇌는 약 13만 개의 뉴런과 5000만 개 이상의 시냅스로 구성되어 있습니다. 이 연구를 통해 각기 다른 기능을 하는 회로가 어떻게 연결되어 있는지 밝혀졌습니다.

 

움직임과 시각 처리: 움직임을 제어하는 회로는 뇌 아래쪽에, 시각을 처리하는 부분은 측면에 위치하고 있습니다. 시각 처리에는 더 많은 계산 능력이 필요하여 더 많은 뉴런이 동원됩니다.

움직임을 처리하는 회로

시각을 처리하는 부분

 

연구 방법과 기술
AI와 수작업의 결합: 연구진은 미세한 치즈 강판과 같은 도구를 사용해 뇌를 7000개로 조각낸 후, AI를 이용해 모든 모양과 연결 형태를 추론했습니다. 그러나 AI의 한계로 인해 300개 이상의 부분은 수작업으로 수정해야 했습니다.

 

초파리 뇌 절단 도구

구글 맵과 같은 뇌의 구조: 필립 슈레겔 박사는 커넥톰을 구글 맵에 비유하며, 뉴런 간 연결 구조를 파악하는 것이 중요하다고 강조했습니다.

초파리 뇌 연구의 미래
인간 커넥톰 연구의 가능성: 연구진은 앞으로 30년 안에 인간의 커넥톰을 그릴 수 있을 것으로 보고 있으며, 이번 초파리 뇌 연구 성과가 인간의 마음과 생각이 어떻게 작동하는지 밝혀낼 중요한 시작점이 될 것이라고 설명했습니다.

인간 뇌 지도(커넥톰). 최첨단 도구로도 현재는 전체 뇌의 극히 일부분만 볼 수 있다

 

신경과학계의 변화: 이번 연구 결과는 신경과학계에서 향후 몇 년 동안 새로운 연구 결과가 쏟아질 것이라는 기대를 불러일으키고 있습니다.

 

초파리 뇌 연구 외 다른 생물들의 뇌 커넥톰 연구
1) 선충(C. elegans)
커넥톰 완성: 선충의 뇌 커넥톰은 1982년에 완성되었습니다. 이 연구는 302개의 뉴런과 7,000개의 시냅스를 포함하고 있으며, 선충의 신경망 구조를 상세히 밝혀냈습니다. 이 연구는 신경과학의 기초를 다지는 데 큰 기여를 했습니다.

2) 쥐(Mice)
뇌 연구의 진전: 최근 쥐의 뇌 커넥톰 연구가 진행되고 있으며, 이는 인간의 뇌와 유사한 구조를 가지고 있어 인간 뇌 연구에 중요한 단서를 제공합니다. 쥐의 뇌는 약 7천만 개의 뉴런과 1조 개의 시냅스를 포함하고 있으며, 이 연구는 신경망의 복잡성을 이해하는 데 도움을 줍니다.

 

3. 원숭이(Monkeys)
고급 신경망 연구: 원숭이의 뇌 연구는 인간의 뇌와의 유사성 덕분에 많은 관심을 받고 있습니다. 원숭이의 뇌 커넥톰 연구는 인간의 인지 기능과 행동을 이해하는 데 중요한 기초 자료를 제공합니다. 이 연구는 신경과학의 발전에 기여하고 있으며, 인간의 뇌 질환 연구에도 활용될 수 있습니다.

4. 미니브레인(Minibrain)
인간 뇌의 축소판: 최근 연구에서는 미니브레인이라는 인공 뇌 모델이 개발되었습니다. 이는 인간의 뇌 구조를 모방하여 만들어진 것으로, 신경망의 발달과 기능을 연구하는 데 사용됩니다. 이 모델은 뇌의 다양한 질병을 연구하는 데 유용한 도구로 자리 잡고 있습니다.

 

초파리 뇌 연구는 단순한 곤충의 뇌를 넘어, 인간 뇌 연구에 중요한 기여를 할 것으로 보입니다. 이 연구는 신경과학의 새로운 장을 열어줄 것이며, 앞으로의 연구 결과를 통해 인류가 이전까지 해결하지 못했던 뇌질환 등에 있어 치료법 등의 성과가 나오길 기대합니다.

 

[출처 https://www.bbc.com/korean/articles/c8rd0647d71o]

 

감사합니다.