[표지로 읽는 과학] 1㎣ 생쥐 뇌에 담긴 우주

네이처 제공

이번주 네이처 표지에는 가지각색의 선으로 연결된 지도 이미지가 실렸다. 바로 생쥐의 시각 피질 1세제곱밀리미터(mm³)에 담긴 뇌세포 지도다. 뇌세포를 뉴런 기능별로 색깔을 다르게 나타냈다. 뇌세포는 뉴런과 신경교세포를 가리킨다. 

미국 150여 명의 과학자들이 참여한 'MicRONS 컨소시엄'은 생쥐의 시각피질 일부를 전자현미경과 AI 분석으로 정밀하게 추적해 뇌의 구조와 기능을 동시에 담은 통합 뇌 지도를 완성한 연구결과를 네이처에 9일(현지시간) 게재했다. 시각피질은 쥐가 ‘볼 때’ 활동하는 뇌의 한 부위다.  포유류의 뇌 속 구조와 기능의 관계를 종합적으로 밝힌 세계 최대 규모의 데이터셋이다.

연구팀은 생쥐 시각피질 1mm³ 영역을 2만8000장의 얇은 절편으로 나눠 전자현미경으로 촬영영했다. 인공지능(AI) 기술을 이용해 촬영 데이터를 분석하고 3차원(3D)으로 복원해 신경세포와 신경세포 간 신호가 전달되는 접점인 시냅스를 정밀하게 재구성했다.

영역 안에는 약 8만4000개의 뉴런과 5억2000만 개의 시냅스, 총 길이 5.4킬로미터km에 이르는 축삭 연결망이 존재하는 것이 확인됐다. 축삭은 뉴런에서 전기 신호를 다른 세포로 전달하는 가느다란 돌기다. 

연구팀은 이어 동일한 뇌 조직을 전자현미경으로 분석해 개별 뉴런의 위치와 형태, 연결망을 재구성했다. 기록된 뇌 활동 영상에서 얻은 데이터와 빈틈없이 일치시켰다. 뇌의 구조와 활동 데이터를 하나의 데이터셋 안에 통합해 각 뉴런이 어떤 자극에 반응하고 어떻게 연결돼 있는지를 동시에 파악한 것이다. 이렇게 가장 상세한 생쥐 뇌 연결 및 기능 지도를 완성했다.

생쥐 뇌 연결 및 기능 지도를 통해 뇌 신호의 정합성과 정보 처리의 효율성을 높이는 뇌의 독특한 작동 방식을 보다 더 알 수 있게 됐다. 뇌의 작동 방식은 뇌의 계산 원리를 이해하는 데 중요한 실마리를 제공할 수 있다. 향후 AI 알고리즘 설계에 중요한 단서를 제공할 것으로 평가된다. 

연구는 알츠하이머병과 파킨슨병 등 뇌 질환의 원인을 밝히고 치료법을 개발하는 데도 기여할 것으로 기대된다. 건강한 뇌의 회로도가 완성되면 질병 상태와 비교해 세포 간 연결의 이상 여부를 확인하고 원인을 규명할 수 있기 때문이다.

연구에 참여한 누노 마카리코 다 코스타 미국 앨런뇌과학연구소 연구원은 “뇌 회로도를 알면 고장 난 라디오도 고칠 수 있다"며 "이번 결과는 생물에 뇌를 이해하는 데 필요한 설계도를 제공한다”고 말했다. 이번에 발표된 데이터셋은 학계에 모두 공개(Open-access) 형태로 제공된다.

<참고자료>

-https://www.nature.com/articles/s41586-025-08790-w

[이채린 기자 rini113@donga.com]