韓 연구자 포함 국제 연구진 일냈다···"초파리 뇌지도 첫 완성"

프린스턴대, 네이처에 초파리 성체 지도 게재

초파리 유충, 예쁜꼬마선충 뇌지도 연구서 발전

AI기술, 분석기술 발전으로 복잡한 뇌 지도 구분

초파리 뇌 연구해 알츠하이머 등 뇌질환 극복 기대

배준환 박사 "초파리 연구서 확장해 인간질환까지"

[이데일리 강민구 기자] 한국인 연구자가 포함된 미국 프린스턴대 연구진이 초파리 지도를 완성하고, 연구결과를 국제학술지 네이처 특별호에 3일 게재했다. 그동안 애벌레(유충) 지도에 그쳤던 것에서 벗어나 복잡한 초파리 성체에 대한 뇌지도를 완성하고, 인간 뇌질환에 활용할 가능성을 높였다.

초파리 성체 뇌에는 모두 13만 9255개의 뇌세포가 있다. 세포 내 활동은 감각 인식부터 의사 결정, 비행과 같은 행동 제어까지 주도한다. 이들은 5000만개가 넘는 시냅스로 연결돼 있다.(사진=프린스턴대)

이번 연구에는 프린스턴대 연구진들을 주축으로 이기석 제타AI 박사, 배준환 서울대 기초과학연구원 박사, 김진섭 성균관대 생명과학과 교수 등 한국인 연구자들이 참여했다.

학계에서는 지난 연구를 통해 1982년 예쁜꼬마선충의 신경지도를 만들었고, 지난해에는 초파리 유충에 대한 뇌 지도가 완성돼 국제학술지 ‘사이언스’에 게재됐다. 프린스턴대 연구팀은 여기서 더 나아가 인공지능(AI) 기술, 분석기술을 활용해 뇌지도를 완성할 수 있었다. 말라 머시 프린스턴대 신경과학과 교수는 “뇌 기능은 어떤 뉴런이 다른 뉴런과 연결되어 있는지, 그리고 연결의 강도에 좌우된다”며 “초파리 뇌의 완전한 지도를 갖는 것은 초파리 신경생물학자로서 제가 2010년 연구실을 시작한 이래로 꿈꿔왔던 일”이라며 이번 연구 성과의 의미를 강조했다.

초파리 뇌 커넥톰의 가장 큰 뉴런 50개.(자료=프린스턴대)

초파리는 학습과 생체 리듬과 관련된 유전자를 포함해 인간 유전자의 약 70%를 공유하며, 인간 유전 질환의 4분의 3이 초파리에서 유사한 형태로 나타난다는 점에서 중요하다. 초파리도 인간처럼 나이를 먹고, 짝을 유혹하는 노래도 부른다. 특히 초파리의 뇌는 이동 경로를 찾고, 자연에서 냄새를 감지하면서 물체가 어떻게 움직이는지 파악하는 데 쓰인다.

초파리의 뇌 지도를 만드는 것은 알츠하이머와 기타 뇌 질환을 이해하는데 중요하다. 프린스턴대 연구팀은 성체 초파리의 뇌를 통해 ‘커넥톰(Connectome)’이라 불리는 뉴런(신경계를 구성하는 세포)별, 시냅스(뉴런과 뉴런의 연결지점)별 지도를 구축해 인간 뇌를 이해하기 위한 진전을 이뤄냈다.

이전에 연구자들은 302개의 뉴런을 가진 예쁜꼬마선충의 뇌와 3000개의 뉴런을 가진 초파리 유충의 뇌를 지도화했다면 성체 초파리는 약 14만개의 뉴런과 수천만개의 시냅스로 연결돼 있다는 점에서 제작하기 까다로웠다.

이 같은 상황에서 획기적인 연구 진전이 가능했던 이유는 인공지능 기술 등의 발전 덕분이다. 연구는 초파리의 뇌를 꺼낸 다음 나노미터 두께로 잘라 전자현미경으로 3차원 이미지를 만들어야 한다. 이후 단면의 경계선을 하나씩 색칠해 세포들을 구분해야 한다. 이 과정에서 전자현미경으로 시냅스를 구분하고, 인공지능으로 연결고리, 구분점 등을 찾아 뇌지도를 재구성한뒤 여러 명이 동시에 플랫폼에 접속해 정교한 세포 수정 작업을 통해 현재의 뇌지도를 완성했다.

배준환 서울대 기초과학연구원 박사는 “초파리는 동물 모델로서 장점이 있지만, 고등생물과 비교하면 한계도 있다”며 “이번에 초파리 전체 뇌를 제작했으니 앞으로 고등생물에 대한 연구도 활발해져 인간 질환을 극복하는 데 도움이 됐으면 한다”고 말했다.