생명과학 KISTI (2015-08-04) 소금 알갱이보다 훨씬 작은 생체조직을 잘게 썰어 다시 꿰맞추는 데 6년이 걸렸다면, 누구나 그 끈질김과 집요함에 혀를 내두를 것이다. 하버드 대학교의 제프 리치먼 박사(세포생물학)가 이끄는 연구진은 "마우스에게서 채취한 미세한 뇌조직(신피질)을 3차원 디지털지도로 재구성했다"고 발표했다. 신피질(neocortex)은 뇌에서 가장 최근에 진화한 부분으로, 포유류의 신피질 일부를 완벽하게 재구성한 것은 이번이 처음이다.
"이번 연구에 사용된 뇌조직의 양은 1,500세제곱미크론으로, 1,000억 개의 세포로 이루어진 인간의 뇌에 비해 턱없이 부족하다. 그러나 연구진이 선보인 다양한 기술은 향후 10년 동안 비약적으로 발달할 것으로 보여, 우리의 궁극적 목표인 「인간의 3D 뇌지도 작성」 달성을 약속하는 보증수표라고 할 수 있다"고 앨런 뇌과학연구소의 크리스토프 코흐 소장은 논평했다.
리치먼 박사가 이끄는 연구진은 이미 진일보한 계획을 추진하고 있다. 그것은 `설치류의 신피질 1세제곱밀리미터를 3D 지도로 재구성하는 것`인데, 이번에 작성된 지도보다 60만 배나 큰 규모다. 새로운 계획은 하버드 대학교와 MIT의 과학자들로 구성된 컨소시엄이 진행하는 프로젝트의 일부인데, 이 프로젝트는 이번 달 초 IARPA(Intelligence Advanced Research Projects Activity: `고위험/고성과型 연구`를 지원하는 미 정부기관)의 예비승인을 받았으며, 신피질의 해부학적 구조와 기능을 해명함과 동시에, 동물의 학습 과정에서 신피질이 정보를 처리하는 메커니즘을 연구하는 것을 목표로 하고 있다.
시냅스 수준까지
신피질은 신경과학자들의 특별한 관심대상이다. 인간은 다른 포유류보다 훨씬 더 큰 신피질을 갖고 있으며, 모든 뇌영역이 그렇듯 신피질의 기능 역시 개별뉴런 간의 시냅스에 의해 결정된다. 시냅스란 전자현미경으로만 볼 수 있는 미세한 구조체로, 뉴런 사이에서 화학적·전기적 신호가 전달될 수 있도록 해주며, 동물이 환경에 적응할 때마다 새로 형성된다. 대부분의 시냅스들은 한 뉴런의 수상돌기(dendrite) 말단과 다른 뉴런의 축삭(axon) 사이에서 형성된다.
신피질의 일부를 시냅스 수준까지 상세하게 재구성하기 위해, 연구진은 몇 단계의 절차를 밟아야 했다. 첫째, 다이아몬드 칼날로 체감각피질(somatosensory cortex: 신피질의 일부)을 수천 조각으로 얇게 잘랐다. 둘째, 뇌조직 절편들을 길다란 특수 플라스틱 롤테이프에 한 장에 24시간당 1,000개의 속도로 이어붙였다. 셋째, 시냅스 속에 있는 신경전달물질 소포체까지 포착할 수 있는 강력 주사전자현미경(scanning electron microscope)으로 뇌조직 절편을 연속 촬영했다.
연구진은 이웃한 뉴런의 수상돌기 주변을 가장 높은 해상도로 촬영했고, 각각의 절편에 포착된 세포가 인접한 절편의 세포와 일치하도록 조심스럽게 디지털 이미지를 배열했다. 이미지의 연결성을 확보하기 위해, 모든 세포에 각각 다른 색을 입혀 추적하는 컴퓨터 프로그램을 만들었다. 이번 연구에서는 뇌조직 샘플의 크기가 너무 작아 단일뉴런을 전부 포함하지는 못했지만, 1,600개 이상의 뉴런 조각, 6가지 이상의 상이한 뇌세포, 약 1,700 개의 시냅스를 확인할 수 있었다.
기계학습(machine learning)
이번 3D 뇌지도에서 밝혀진 특징 중 하나는, 일부 신경정보학자들이 가정했던 것과는 달리, 하나의 뉴런이 다른 뉴런과 물리적으로 가까운 거리에 있다는 이유만으로 시냅스를 형성하는 것은 아니라는 것이다. 그보다, 뉴런은 특정한 이웃을 매우 뚜렷하게 선호하는 것으로 밝혀졌는데, 이러한 현상은 이미 망막(뇌의 단순한 일부분임)과 해마(신피질보다 먼저 진화했음)에서도 관찰된 바 있다. "향후 후속연구에서 개별 시냅스의 분자적 구성요소를 연구하다 보면, 시냅스 형성에 있어서 뉴런의 선호도를 결정하는 요인이 무엇인지 밝혀지게 될 것"이라고 영국 에든버러 대학교의 세스 그랜트 박사(신경과학)는 말했다.
현재 리치먼 박사가 이끄는 연구진은 시냅스가 발생 초기단계에서도 동일하게 거동하는지를 알아보기 위해, 아기 마우스의 피질을 비슷한 규모로 재구성하는 작업을 진행하고 있다. 또한 연구진은 뇌수술 도중에 확보한 인간의 뇌조직 샘플을 이용한 재구성 작업도 병행하고 있다.
이상과 같은 재구성 작업은 뇌에 대한 이해를 증진하는데 기여함은 물론, 새로운 컴퓨팅 방법에 대한 통찰력을 제공할 것으로 기대된다. 13개의 연구실로 구성된 하버드-MIT 컨소시엄과 IARPA가 맺은 협약은 IARPA가 추진하고 있는 수천만 달러짜리 MICrONS(Machine Intelligence from Cortical Networks) 프로그램의 일환이다. "MICrONS 프로그램의 일반적 목표는 뇌에서 발견된 코드를 역공학(everse-engineering)으로 분석하여, 기계학습의 혁명을 이루는 것"이라고 MICrONS 프로그램을 이끄는 제이콥 포겔스타인 박사는 말했다. "한편 IARPA는 인간의 인지(인간의 행동 및 의사결정)과정에도 관심이 있기 때문에 신경과학 연구에도 투자하고 있다"고 그는 덧붙였다.
※ 원문정보: Jeff William Lichtman et al., "Saturated Reconstruction of a Volume of Neocortex", Volume 162, Issue 3, p648–661, 30 July 2015. ※ 동영상: http://www.cell.com/…/attac…/2035054472/2050360628/mmc18.mp4
