2020년 하버드대학의 신경과학자와 구글의 엔지니어가 인간의 뇌의 신경세포를 염색하여 매핑한 것을 공동으로 발표했습니다. 그러나 이 공동연구에서 이루어진 매핑은 인간의 뇌 전체의 불과 100만분의 1. 신경세포를 매핑하는 '커넥톰'이 어떤 것인지를 과학계 미디어 Quanta Magazine이 설명했습니다.
New Brain Maps Can Predict Behaviors | Quanta Magazine
https://www.quantamagazine.org/new-brain-maps-can-predict-behaviors-20211206/
New Brain Maps Can Predict Behaviors
Rapid advances in large-scale connectomics are beginning to spotlight the importance of individual variations in the neural circuitry. They also highlight the limitations of “wiring diagrams” alone.
www.quantamagazine.org
하버드대학의 제프 리히트만 씨 연구팀은 인간의 뇌를 5000개 이상의 조각으로 절단해 전자현미경으로 관찰한 혈관과 신경세포의 영상화를 실시하여 매핑에 성공했습니다. 오랫동안 커넥톰에 종사해 온 리히트만 씨는 “신대륙을 발견한 것 같다”며 성과를 기뻐했지만, 인간의 뇌 전부를 맵핑하는 데 훨씬 긴 시간이 걸린다는 사실도 인정했습니다.
신경세포가 어떻게 배치되는지나 신경세포가 어떻게 연결되어 있는지를 아는 것은 뇌의 소유자인 생물이 어떻게 생각하고 느끼며 행동하는지를 이해하는 중요한 열쇠가 된다고 합니다. 한 실험에서는 커넥톰으로 동물의 다음 행동을 예측할 수 있는 가능성이 나타났고 또 다른 실험에서는 신경세포가 동작하는 일정한 규칙을 커넥톰에서 이끌어 낼 가능성이 나타났다는 것. 이러한 지식을 추구하기 위해서는 뇌 전체의 매핑이 불가결한데 단 1종의 생물을 대상으로 성공했습니다. 그 생물은 몸길이가 불과 1mm인 선충의 일종입니다
선충의 커넥톰이 완성된 시기는 1986년으로 단 302개의 신경세포만을 가지는 선충을 대상으로 매핑이 이루어져 약 5000의 화학시냅스나 약 2000의 신경절 접합부, 약 600의 갭결합 등 모든 부위가 어떠한 구조로 배치되어 있는지가 정확하게 밝혀졌습니다. 이 연구는 전자현미경의 이미지와 광학문자인식(OCR)을 이용하여 손으로 그린다는 방식으로 15년 이상 걸려 이루어졌습니다.
현재는 화상인식 기술의 진보로 선충의 커넥톰에 걸리는 시간은 1개월까지 단축되었습니다. 복수의 선충을 매핑함으로써 '행동패턴이 각각 다른 별개체에서도 교미중에 주위의 환경으로부터의 정보를 처리하는 뇌의 작용은 모든 개체에서 일관된다' 등의 연구성과를 얻었습니다. 신경세포가 어떻게 작동하는지 더 잘 이해하기 위한 데이터베이스로서 과학계에서는 커넥톰의 중요성이 주목받고 있습니다.
그러나 선충보다 복잡한 생물일수록 뇌의 모든 구조를 매핑하는 것은 매우 어려운 것으로 알려져 있습니다. 특히 뇌만으로도 1000억 개 정도의 신경세포를 가진 인간에서는 일부 신경세포가 여러 사람으로 일치했다고 해서 그것이 모든 인간에게 보편적인 것인지는 불분명합니다. 리히트만 씨는 “100명 정도를 매핑할 수 있으면 어느 정도 명확해질 것”이고 보고 있습니다만, 1인당 1.4PB(약 1400TB)라는 정보량의 매핑을 실시하는 것은 쉽지 않습니다.
그러나 커넥톰의 연구는 부분적이면서도 중요한 진보를 이루고 있다고 합니다. 2020년에는 Drosophila의 뇌의 대부분인 25,000개의 신경세포를 매핑하는데 성공했습니다. 이를 바탕으로 초파리가 비행할 때 활발해진다는 수십 개의 새로운 신경세포와 회로의 발견에 이르렀고 이 매핑은 초파리 연구의 이정표로 환영받고 있습니다.
커넥톰은 단순히 신경세포의 매핑을 하는 것이어서 신경세포가 얼마나 많은 정보량을 전달하고 있는지 등 커넥톰만으로는 모르는 점도 많습니다. 그럼에도 불구하고 리히트만 씨는 커넥톰이 신경과학의 강력한 데이터가 될 것이라고 확신하며 “기술혁신으로 인해 대규모 커넥톰 연구가 현실이 되고 있다"며 기대를 나타냈습니다.
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