[사이언스샷] 구글·하버드대, 사상 최대 규모의 뇌 3차원 지도 공개

세포만 5만 7000개 넘어…국제 학술지 ‘사이언스’에 연구 결과 게재

전자 현미경으로 관찰한 뇌 조직의 신경 세포. 크기에 따라 다른 색으로 나타냈다./구글, 미국 하버드대

구글과 미국 하버드대 연구진이 복잡한 인간 두뇌의 구조를 낱낱이 밝혔다. 1㎣에 불과한 뇌 조직에서 세포와 혈관, 신경세포의 분포를 포함한 데이터 1400TB(테라바이트, 1TB는 1조 바이트)를 얻어 지도로 나타냈다.

제프 리히트만 미국 하버드대 분자세포생물학과 교수는 구글 연구진과 공동으로 인간의 뇌 일부를 3차원으로 재구성했다고 지난 10일(현지 시각) 밝혔다. 역대 최대의 해상도로 뇌 조직 안의 세포와 신경 연결망을 생생하게 나타냈다.

연구진은 45세 여성이 뇌전증(간질) 수술을 받는 과정에서 나온 측두피질 조각을 얻었다. 측두피질은 학습이나 문제 해결, 감각 신호 처리에 관여하는 뇌 부위다. 연구진은 쌀알 크기의 절반 정도인 조직을 머리카락 굵기보다 1000배 얇은 조각 5000개로 나눴다. 이후 각 시료를 전자현미경으로 나노 단위에서 살폈다. 밝혀진 개별 세포는 총 5만 7000개, 혈관 230㎜, 신경 길이는 150m에 달한다. 뉴런 사이의 연결 부위인 ‘시냅스’는 1억 5000만개 관찰됐다.

이어 인공지능(AI) 알고리즘으로 세포 사이의 경로를 구분하고, 세부 구조를 3차원으로 재구성했다. 총 데이터는 1400TB로 4K 화질의 영화 1만 4000편에 해당하는 규모다. 연구진은 “약 10년 동안 함께 연구한 결과”라며 “아직 밝혀지지 않은 뇌 기능과 관련 질병에 대한 새로운 정보를 제공할 것”이라 설명했다.

신경세포(흰색)와 연결된 신경 세포의 돌기인 '축삭(파란색)' 5600개의 사진. 신경 세포 사이의 연결 부위인 시냅스는 녹색으로 나타냈다./구글, 미국 하버드대

특히 일부 신경세포는 주변 세포 수십 개와 연결되어 있었다. 연구진이 관찰한 신경세포 중 96% 이상이 한 세포와 연결을 이루고, 3%는 세포 두 개와 연결돼 있었다는 점을 고려하면 극히 이례적인 사례다. 많게는 50개 세포와 연결된 신경세포도 있었다. 또 서로 거의 완벽한 거울상을 이루는 신경세포도 발견했다.

이를 두고 리히트만 교수는 “신경세포와 다른 세포와의 강력한 연결이 학습된 정보의 체계와 관련 있을 수 있다”며 “신호등의 빨간 불을 보면 브레이크를 밟듯, 연습을 거쳐 학습된 행동이 생각을 거치지 않고 나오는 이유를 설명하는 데 도움이 될 것”이라 설명했다. 다만 시료를 뇌전증 환자에게서 채취한 만큼 병리학적 현상일 가능성도 있다.

연구진은 이번 연구 결과를 무료로 공개한다. 다른 연구자들이 데이터에 자유롭게 접근하면서 오류를 바로잡게 할 계획이다. 데이터를 지도로 나타내는 과정에서 오류가 생길 수 있으나, 아직 세포 약 5만개 중 수백 개의 세포만 수동으로 확인했기 때문이다.

연구진은 “아직 인간 두뇌 전체를 지도로 나타내는 것은 기술적으로 너무 어렵다”며 “다음 프로젝트에서는 쥐의 뇌를 전체적으로 재구성할 것”이라고 다음 계획을 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스’에 공개됐다.

참고 자료

Science(2024), DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk4858

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