분자유전학실험실 (단국대학교 분자생물학과)



 이성욱 ( 2013-02-05 03:44:16 , Hit : 3531
 뇌의 신비 밝혀줄 지도가 만들어진다 - 올해는 휴먼 커넥톰 프로젝트가 완료되는 해



2013년 02월 04일(월)

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사이언스(Science)는 신년 특집을 통해 2013년에 과학계가 주목할 이슈로 ‘1세포 DNA 시퀀스’ 및 ‘유럽 우주국(ESA)의 인공위성 관측 결과 발표’ 등과 함께 인간 신경망 접속 지도인 '휴먼 커넥톰 프로젝트(Human Connectome Project)’을 꼽았다.




▲ 사이언스는 2013년에 과학계가 주목할 영역 중 하나로 휴먼 커넥톰 프로젝트를 꼽았다.  ⓒHCP  
사이언스는 보도를 통해 “2013년은 인간의 뇌신경 회로와 연결된 모든 접속 상태를 지도로 만드는 휴먼 커넥톰 프로젝트가 마무리되는 해”라고 강조하면서 “이 프로젝트는 미국 국립보건원(NIH)이 지난 2009년부터 5개년 계획으로 약 390억 원의 예산으로 진행되어 왔다”고 설명했다.

‘휴먼 커넥톰 프로젝트’이란 지난 2005년 인간의 뇌신경 연결지도를 만든다는 목표아래 세계적인 뇌과학 연구자들이 출범시킨 공동 프로젝트로서, 지난 2009년부터 본격적으로 추진해 왔다. 커넥톰이 완성되면 기억의 본질에 대한 이해를 높이고 정신질환의 원인을 규명하는 등 미래 뇌과학 연구의 기반이 될 것으로 의료계는 기대하고 있다.

뇌 전체를 보여주는 뉴런 지도의 필요성

인간의 뇌는 1,000억개의 뉴런(neuron)들이 일종의 회로처럼 복잡하게 상호 연결돼 있기 때문에 인체의 소우주라고도 불린다. 이처럼 신비로운 뇌의 작동기전을 파악하기 위해 뇌 과학자들은 오랫동안 각각의 뉴런들을 연구해왔다. 하지만 지금도 뇌 전체를 보여주는 뉴런들의 회로 지도는 만들어 지지 못한 상황이다.



▲ 두뇌의 신피질에서 시냅스의 위치를 예측하는 것이 가능해졌다  ⓒLausanne univ.  
휴먼 커넥톰 프로젝트는 바로 이런 목표를 달성하기 위한 첫 번째 시도이다. NIH의 연구팀은 지난 2009년부터 쌍둥이를 포함한 1,200명의 건강한 성인을 대상으로 뇌를 스캔하여 뇌의 내부 영역 간 신경회로의 접속 상태 차이나, 인지 능력에서의 표현 방법 등을 조사해 오고 있다.

연구팀은 프로젝트가 완료되면 연령별 두뇌 기능 변화나 정신분열증, 그리고 알콜 중독 등 질병 및 장애를 가진 사람들의 뇌 연구에 큰 진전을 가져올 데이터 제공이 가능할 것으로 예측하고 있다. 이를 위해 연구팀은 현재 ‘뇌 활동’과 ‘뇌 구조’라는 2가지 영역에 집중하고 있는 것으로 알려졌다.

휴먼 커넥톰 프로젝트의 시기상조론도 제기돼

인간 신경망의 연결구조 및 활동과 관련된 전모를 파악하여 지도를 만든다는 것은 실로 엄청난 과제라는 것이 과학계의 공통된 의견이다. 특히, 여러 기술적인 문제로 인해 사람의 커넥톰을 완벽하게 만드는 것은 현실적으로 불가능하다는 비판도 제기되고 있는 상황이다.



▲ 색이 있는 트랙은 뇌 신경섬유 다발의 방향을 나타낸다.  ⓒOxford univ.  
왜냐하면 현재 연구팀은 쥐의 뇌를 대상으로 연구를 진행하는 정도의 수준인데, 쥐가 갖고 있는 뉴런의 수가 1억 개인 반면 사람의 뇌는 1,000억 개의 뉴런을 갖고 있기 때문에 규모상 너무 차이가 나 비교가 어렵기 때문이다. 더군다나 사람의 뇌에서 신경전달물질을 주고 받는 뉴런 전달망의 길이도 수백만 ㎞에 달해 분석 자체가 불가능한 규모로 여겨지고 있다.

뉴런의 연결상태를 조사하는 방법도 뉴런의 수에 비해서는 상당히 원시적 수준이다. 먼저 생쥐를 마취시키고 뇌를 여러 조각으로 나눈 다음 미세한 조각을 전자현미경으로 들여다보면서 마치 스파게티 국수 가락처럼 얽혀 있는 뉴런의 연결 상태를 상세한 지도로 표시하는 것으로 알려졌다.

뿐만 아니라 생쥐의 커넥톰을 저장하는 데 1페타(10의 15승) 바이트의 컴퓨터 기억용량이 필요한 것으로 밝혀졌다. 이를 근거로 사람의 커넥톰을 저장하는 작업을 유추해 볼 때 100만 페타바이트라는 가공할 저장용량이 소요될 것이란 계산이 나오기 때문에 현실적으로 불가능한 작업이라는 주장이 나오고 있는 것이다.

휴먼 커넥톰 프로젝트를 지원하는 기술들의 등장

하지만 휴먼 커넥톰 프로젝트를 추진하는 데에 부정적인 요소만 있는 것은 아니다. 프로젝트가 안고 있는 문제점들을 극복할 수 있는 지원 기술들도 속속들이 소개되고 있는 상황이다. 먼저 기존의 것보다도 7배나 더 빨리 두뇌를 검사할 수 있는 MRI(자기공명 단층촬영)가 최근 개발돼 주목을 끌고 있다.

물리과학 전문매체인 Physorg의 보도에 따르면, UC 버클리와 영국 옥스포드 대학의 과학자들이 전체적인 삼차원 두뇌 검사를 기존의 2~3 초 대신에 0.5초 이내에 가능하게 하는 MRI를 개발하는 기술을 확보한 것으로 나타났다.



▲ 다중 송신과 가속 기술이 결합된 MRI 영상으로 분해능은 같지만 속도가 7배 증가된 것을 알 수 있다.  ⓒOxford univ.  
Physorg는 초고속 MRI의 개발이 인간의 뇌신경 연결지도를 규명하는 프로젝트에 즉각적인 영향을 끼칠 것으로 전망하면서, 이번에 소개된 기술이 과거에 개발되었던 2가지 MRI 기법의 결합을 통해 가능해졌다고 밝혔다.

이와 관련하여 휴먼 커넥톰 프로젝트의 공동 리더 중 한 명인 미네소타 주립대 자기 공명 연구소의 소장인 파인버그(Feinberg)는 “현재 개발된 MRI는 뇌 전체를 몇 백 마이크로초내에 검사할 수 있고, 높은 공간 해상도를 바탕으로 역동적인 신경 조직망을 볼 수 있다”고 설명했다.

이 외에도 미국 콜드 스프링 하버 연구소(Cold Spring Harbor Laboratory)의 과학자들은 척추동물의 뇌 회로에 대한 지도 작성의 첫 번째 단계로 쥐의 뇌 회로를 연구하는 실험쥐 뇌건축 프로젝트(Mouse Brain Architecture Project, MBA)를 진행중인 것으로 알려졌다.

실험쥐 뇌건축 프로젝트는 휴먼 커넥톰 프로젝트를 보완하는 역할을 하고 있다. 연구진은 실험쥐가 일반적으로 포유류의 일반적 모델로서 볼 수 있기 때문에 실험쥐를 대상으로 하는 실험이 인간의 알츠하이머나 자폐증, 그리고 우울증 같은 질병에 대한 연구를 도울 수 있을 것으로 보고 있다.

한편, 신경과학 분야의 전문가들은 휴먼 커넥톰 프로젝트가 정상적인 뇌와 병적인 뇌의 차이를 파악해 뇌의 일정 부위를 수술로 제거해도 후유증이 남지 않도록 만들 수 있는 등 뇌질환 연구에 있어 획기적인 전기를 마련할 것으로 기대하고 있다. UC 어바인대의 게리 린치(Gary Lynch) 박사는 “뇌의 활동을 파악할 수 있는 청사진이 없다면 생각이나 의식이 무엇인지 등 근원적인 물음에 대답할 수 없을 것”이라며 뇌신경망 지도의 필요성을 강조했다.



김준래 객원기자 |  joonrae@naver.com


저작권자 2013.02.04 ⓒ ScienceTimes







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