인류 꿈꾸던 ‘뇌 지도’ 그릴 길 열었다…노벨 의학상 받은 3인

어떤 뇌세포가 기억을 저장하고 감정을 불러일으킬까. 빛으로 특정 신경세포의 활동을 조절해 이 질문에 답할 길을 연 과학자 3명이 올해 노벨 생리의학상을 받았다.

스웨덴 카롤린스카연구소 노벨위원회는 5일(현지시간) 광유전학을 개척한 공로로 칼 다이서로스(미국 스탠퍼드대)·페터 헤게만(독일 훔볼트대)·게오르크 나겔(독일 뷔르츠부르크대)을 2026년 노벨 생리의학상 수상자로 선정했다고 밝혔다. 페르 스벤닝손 노벨 생리의학상위원장은 “광유전학은 한때 꿈만 꾸던 방식으로 뇌 지도를 그릴 기회를 제공한다”고 평가했다.

광유전학은 광학과 유전학을 결합한 기술이다. 빛에 반응하는 단백질의 유전자를 특정 신경세포에 넣으면 해당 세포도 이 단백질을 만든다. 이후 빛을 비춰 세포를 활성화하거나 억제할 수 있다. 빛으로 작동하는 스위치를 세포에 달아주는 셈이다.

이 기술로 뇌세포의 활동과 행동 사이의 원인과 결과를 확인할 수 있게 했다. 사람이 특정 행동을 할 때 어떤 세포가 활발해지는지 관찰하는 데서 나아가 A라는 신경세포를 작동시켰을 때 B라는 행동이 나타나는지 시험할 수 있어서다. 김기현 서울성모병원 안과 교수는 “기억과 감정, 보상, 운동 등 복잡한 뇌 기능을 연구하는 방식에 큰 변화를 가져왔다”고 설명했다.

2026 노벨 생리의학상 수상자들의 이미지. 왼쪽부터 칼 다이세러스, 피터 헤게만, 게오르크 나겔. 사진 노벨위원회

김 교수는 “현재 광유전학은 뇌 기능과 질환의 신경회로 기전을 밝히는 핵심 연구도구로 활용되고 있다”라고 덧붙였다. 환자 치료에 적용한 사례도 있다. 2021년 네이처 메디신에는 망막색소변성으로 실명한 환자의 시각 기능을 일부 회복시킨 연구가 실렸다. 환자의 남아 있는 망막 신경세포에 빛 감지 능력을 부여하자 환자는 특수 고글을 착용한 상태에서 물체를 찾고 개수를 셀 수 있었다.

이 기술의 출발점은 빛에 반응하는 미생물 단백질이었다. 수상자 중 헤게만과 나겔은 조류에서 빛에 반응하는 단백질인 채널로돕신을 발견했다. 이어 다른 세포에서도 이 단백질이 만들어지게 하면 빛에 반응한다는 사실도 확인했다. 다이서로스는 이를 신경세포에 적용해 빛으로 신경 신호를 조절하는 기술로 발전시켰다. 다이서로스는 지난해 아산의학상을 수상했는데 당시 인터뷰에서 “바다에 사는 식물성 단세포 생물(녹조생물)의 빛에 반응하는 단백질에서 아이디어를 얻었다”고 밝혔다. 하지만 이 단백질을 포유류 세포에서 만들게 하는 과정은 쉽지 않았다. 그는 “포유류와 녹조생물의 세포 발현 방식이 다르기 때문”이라며 “모든 가능성을 열어두고 끊임없이 시도했다”고 회상했다.

다이서로스는 “2004년 세포 수준 연구에 성공하고도 몇 년간 움직이는 동물에 광유전학 기술을 적용할 수 있을지 확신할 수 없었고, 주변의 우려도 컸다”고 털어놨다. 그는 2007년 어느 날 광유전학을 취재하러 온 뉴욕타임스 기자에게 뭐라도 보여줘야겠다는 생각으로 쥐의 뇌 우반구 운동피질에 광섬유를 삽입해 빛으로 자극했다. 그때 쥐가 반시계 방향으로 돌기 시작하는 것을 확인했다. 빛 자극을 중단했더니 쥐가 움직임을 멈췄다. 움직이는 동물에 광유전학을 적용할 수 있다는 것을 확신한 순간이었다.

광유전학 기술은 질병 연구와 신약 개발에 활용되고 있다. 김준기 서울아산병원 융합의학과 교수는 “기존 전기 자극에 비해 특정 종류의 신경세포를 선택적으로 조절할 수 있고, 시간적으로도 매우 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다”고 말했다. 김 교수는 “파킨슨병, 간질, 수면장애 등 다양한 신경계 질환의 발생 기전을 연구하고 새로운 치료 표적과 신약 후보를 검증하는 데 활용되고 있다”라며 “향후 이 기술은 특정 뇌세포와 신경 회로가 뇌 기능과 뇌 질환에 어떻게 영향을 미치는지를 밝히는 연구에 더욱 활발하게 응용될 것으로 기대된다”고 설명했다.

형수진 삼성서울병원 교수는 “말기 실명처럼 기존 선택이 없던 환자에게 기능 회복의 단서를 주기 시작했다는 점에서 의미가 크다”라며 “환자 몸으로의 확장은 눈에서 안전성과 지속성이 확인된 뒤에야 다른 장기로 넓어질 과제이나, 이번 수상으로 속도가 붙을 것으로 기대한다”라고 말했다.

이에스더 기자 etoile@joongang.co.kr