생쥐에 이식한 인간 뇌, 외부 자극에 반응 순간 포착했다

미국 캘리포니아 샌디에이고대

생쥐에게 이식된 인간의 뇌 유기체가 주변 조직과 연결되고 외부 감각 자극에 정상적으로 반응하는 것이 확인됐다. 게티이미지뱅크 제공

생쥐에게 이식된 인간의 뇌 유기체가 주변 조직과 기능적으로 연결되고 외부의 감각 자극에 반응하는 자세한 모습이 처음으로 확인됐다. 이식된 뇌 유기체는 주변 조직과 같은 방식으로 시각 자극에 반응했다. 뇌 기능 활동을 기록하는 기술이 발전하면서 얻은 성과다.

두이구 쿠즘 미국 샌디에이고 캘리포니아대 교수 연구팀은 투명한 미세 그래핀 전극과 2광자 현미경을 결합한 장치를 통해 인간 뇌 유기체를 이식한 쥐의 뇌를 장시간 관찰하는 데 성공했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 26일(현지시간) 게재됐다.

인간의 뇌 유기체는 뇌의 발달 등을 살피는 신경학 연구에서 중요한 소재다. 하지만 연구를 위한 동물실험이 활발하게 진행되지 못했다. 실험용 생쥐에게 이식된 인간의 뇌 유기체가 동일한 기능을 유지하면서 외부 자극에 반응하는지 증명되지 않았기 때문이다. 기존 뇌 촬영 기술로는

아주 짧은 시간 발생하는 자극반응을 장시간 관찰하는 것이 어려웠던 탓이다.

이전에도 인간의 뇌 오가노이드(장기유사체)를 쥐에 이식하고 반응을 관찰한 사례는 있다. 세르지우 파스카 미국 스탠퍼드대 교수 연구팀은 10월 국제학술지 '네이처'에 발표한 논문을 통해 쥐에게 이식된 뇌 오가노이드가 쥐의 수염을 건드렸을 때 반응을 일으켰다고 밝혔다. 쥐의 뇌 조직과 잘 연결됐다는 증거였다. 하지만 이식된 뇌 오가노이드가 자극에 반응하는 전기신호나 주변 피질과 연결된 모습까지는 정밀하게 관찰하지 못했다.

연구팀은 생쥐에게 이식된 뇌 유기체가 기능과 자극반응을 유지하는 모습을 장시간에 걸쳐 자세하게 확인하기 위해 기존 뇌 촬영 기술을 개선했다.

투명한 그래핀으로 만든 미세전극과 살아있는 조직을 1mm 두께까지 촬영할 수 있는 2광자 현미경을 결합했다. 2광자 현미경은 기존 1광자 현미경이 1개 광자를 흡수하는 것과 달리 광자 2개를 동시에 흡수한다. 광자의 파장이 2배가 되면서 더욱 정밀한 촬영이 가능하다.

이렇게 개발된 뇌 촬영 장치는 이식된 뇌 유기체가 기능을 유지하는 모습은 물론 자극에 반응하는 모습까지 정확하게 기록했다.

백색 발광다이오드(LED)를 조사한 뒤 뇌의 반응을 관찰하는 실험에서 투명 그래핀 미세전극은 빛을 인식한 뒤 불과 수 밀리초(ms·1ms는 1000분의 1초) 동안 일어나는 전기 스파크를 기록했다. 2광자 현미경은 이식된 뇌 유기체가 영양소와 산소를 공급받는 유기체로 자리잡는 모습을 포착했다.

11주 동안 이어진 관찰 결과 이식된 뇌 유기체는 생쥐의 시각자극 반응을 담당하는 영역에서 완전하게 기능했다. 주변 뇌 피질 조직 및 시냅스와 연결돼 생쥐의 뇌로부터 안정적으로 신호를 수신하는 것이 확인됐다. 

연구팀은 “이번에 개발된 장치는 뇌의 광학적, 전기적 반응을 동시에 기록했다”며 “이를 통해 생쥐에게 이식된 뇌 유기체가 기존 뇌 피질과 같은 전기생리학적 반응을 일으키는 것을 확인했다”고 설명했다. 연구팀은 후속 연구에서 이 장치를 활용해 신경 질환에 따른 뇌의 반응을 관찰할 계획이다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]