뇌세포는 출생 후에도 계속 발달… 포유류 ‘뇌 발달 지도’ 첫 구축

발달장애-정신질환 치료 가능성 확인

출생 직후 쥐의 뇌 공간 지도. 단백질이나 리보핵산(RNA) 등이 실제로 뇌의 어느 위치에서 상호작용하는지를 보여준다. 네이처 제공

과학자들이 인간과 쥐를 포함한 포유류의 뇌 발달 과정에서 다양한 뇌세포 유형이 어떻게 분화되는지 추적하는 지도를 처음으로 구축했다. 포유류의 뇌세포는 출생 후에도 발달 과정을 이어 갔다. 청소년기까지 새로운 세포 유형이 지속적으로 형성된다는 사실도 확인됐다. 이미 성숙한 성인의 뇌에서는 파악하기 어려운 일부 신경발달장애나 정신질환의 근원을 알아낼 기반이 될 것으로 기대된다.

미국 비영리 연구기관인 앨런연구소, 로스앤젤레스 캘리포니아대(UCLA), 예일대 등이 참여한 국제 공동 연구진은 포유류의 뇌 발달 지도인 ‘브레인 이니셔티브 셀 아틀라스 네트워크(BICAN)’를 구축하고 연구결과를 5일(현지 시간) 국제학술지 ‘네이처’ 등에 총 12편의 논문으로 공개했다.

인간의 뇌가 발달하는 과정에서 형성되는 세포 유형은 수천 종에 달한다. 세포들은 급속히 변화하기 때문에 과학자들은 정확한 뇌세포 분화 과정을 이해하는 데 어려움을 겪는다. BICAN 연구진은 고해상도 이미지 처리 기술과 첨단 계산 도구 등을 활용해 뇌 발달 과정에서 뇌세포 유형이 어떻게 출현하고 다양화·조직화되는지 추적했다.

구체적으로 줄기세포가 어떻게 특화된 신경세포(뉴런)와 신경세포를 지지·보호하는 신경교세포로 분화하는지, 발달기에 감각 경험이나 사회적 행동, 환경 요인 등이 뇌세포 형성에 어떤 영향을 미치는지 등을 추적 조사했다.

앨런연구소 연구팀은 쥐의 뇌 발달 초기부터 청년기까지 77만 개 이상의 개별 세포를 추적해 대뇌 시각 피질 내 모든 세포 유형의 발달 과정을 기록했다. 그 결과 기존 예측과 달리 뇌세포가 출생 후에도 발달을 활발히 이어간다는 사실이 발견됐다. 눈을 처음 뜨는 순간이나 뇌가 시각 정보 처리를 배우기 시작하는 순간과 같은 중요한 시점을 중심으로 청소년기까지 새로운 세포 유형이 지속적으로 형성된다는 것이다. 출생 후 겪는 경험이 뇌의 신경회로 구축에 영향을 미치는 비중이 기존 예상보다 크다는 의미로, 출생 이후 발달장애 치료 가능성을 확인한 것으로 평가된다.

이 밖에도 일부 뇌 발달 과정은 성인기나 질병에 걸렸을 때 재활성화될 수 있다는 사실과 뇌암의 일종인 교모세포종과 연관된 원인 세포가 새로 확인된 것 등이 주요 성과로 꼽힌다. 또 연구결과를 확장하면 자폐스펙트럼이나 정신분열증 같은 정신질환이 언제 어디서 발생하는지 파악하고 뇌 장기유사체(오가노이드·실제 뇌의 구조와 기능을 모사한 미니 장기)와 동물 모델 설계를 개선할 수 있다.

에밀리 실베스트락 미국 오리건대 교수는 이번 연구성과에 대한 논평에서 “신경회로의 조립 과정에서 어떤 발달 시기가 질병 취약점의 원인인지 규명하는 후속 연구의 토대를 마련했다”고 밝혔다. BICAN 연구진은 아직 남아 있는 데이터 공백을 메우고 뇌의 모든 영역에서 발달 지도를 완성하기 위한 후속 연구를 진행 중이다.

이병구 동아사이언스 기자 2bottle9@donga.com