초파리 뇌 신경세포 13만9225개, 수백 명이 완성한 뇌 연결지도

AI 생성 이미지(Midjourney)

초파리 성체의 뇌 지름은 약 1mm다. 이 작은 뇌에 신경세포 13만9225개가 촘촘히 연결돼 있다. 수백 명의 연구자가 7년에 걸쳐 초파리 뇌 속 모든 신경세포의 형태와 연결 관계를 추적해 3차원 지도로 재구성했다. 2024년 발표된 '플라이와이어(Flywire)'는 세계 최초의 초파리 전뇌 연결지도 프로젝트다.

초파리. 게티이미지뱅크 제공

5월 3일 일요일 오전 2시, 플라이와이어 웹사이트에 24명이 접속해 있었다. 아시아와 라틴아메리카, 유럽 등 세계 곳곳에서 모인 이용자들의 화면에는 나뭇가지처럼 복잡하게 얽힌 뇌 신경세포(뉴런)가 펼쳐져 있었다. 수십, 수백 시간 동안 신경세포의 형태와 연결 구조를 추적해 온 시민 과학자들이었다.

이날 플라이와이어 자문위원인 김승수 미국 산타바버라 캘리포니아대 분자·세포·발생생물학과 교수에게 24명이 주말에 왜 신경세포를 그리는지 묻자 답이 간단했다.

"재밌다더라고요. 뇌의 신경세포를 모두 그리는 중요한 프로젝트에 참여한다는 자부심도 있고요."

신경세포는 뇌를 구성하는 기본 단위다. 신경세포 각각이 어떻게 생겼고 어떻게 연결되는지 아는 일은 뇌 전체를 이해하는 중요한 첫 걸음이다. 뇌 속 신경세포가 3차원 공간 속에서 어떻게 연결되는지 한 땀 한 땀 그린 세포지도가 바로 ‘뇌 연결지도(Brain Connectome)’다. 

플라이와이어는 가장 널리 쓰이는 실험동물인 초파리의 뇌 연결지도를 만들었다. 김 교수는 “신경세포의 연결은 뇌 활동에서 중요한 역할을 한다”면서 설명을 시작했다.

“뇌 영역에 따라 신경세포의 연결 패턴이 달라요. 제각기 다른 뇌 영역에 있는 신경세포를 하나씩 잠재워 보면서 뇌의 세부 영역이 어떤 역할을 하는지도 알아낼 수 있죠.”

뇌의 고차원적인 기능은 신경세포의 연결 방식에서 나온다. 과학자들의 관심이 실제 생물의 뇌 속 신경세포 연결을 그려보는 과제로 쏠린 배경이다. 그 출발점은 1982년 실처럼 가느다란 벌레인 예쁜꼬마선충이었다.

국제 공동연구 프로젝트 플라이와이어가 제작한 초파리 뇌 연결지도. 초파리의 뇌를 정면에서 본 것으로 색이 칠해진 덩어리 하나하나는 모두 개별 신경세포다. 플라이와이어는 초파리 뇌 속 신경세포 13만 9225개를 디지털 환경 속으로 고스란히 옮겼다. Flywire, Louise Crosby/The University of Sheffield 제공

● 2024년 걸을 수 있는 동물의 연결지도가 최초로 나왔다

김 교수는 “40년 전 예쁜꼬마선충 신경세포 연결지도 발표는 과학계에 큰 충격을 줬다”고 설명했다. 

예쁜꼬마선충의 신경세포는 고작 302개다. 하지만 302개짜리 연결지도 하나가 과학자들에게 예쁜꼬마선충이 어떻게 먹이를 찾고 장애물을 피하는지 체계적으로 이해하는 발판이 됐다. 과학자들은 이후 쏟아진 연구 성과를 보며 뇌 연결지도의 중요성을 실감했다.

예쁜꼬마선충 다음 목표는 더 크고 더 복잡한 두뇌였다. 초파리 성체의 뇌에는 신경세포가 13만9225개 있다. 인간의 뇌에 약 900억 개가 있으니 훨씬 적은 수준이다.

그러나 초파리는 인간과 60%의 유전자를 공유한다. 인간이 겪는 유전질환의 75%는 초파리에서도 나타난다. 따라서 초파리의 뇌를 연구하면 사람의 뇌를 알 수 있는 중요한 단초를 얻는다.

플라이와이어는 2024년 10월 2일 국제학술지 ‘네이처’에 초파리 뇌 연결지도 관련 논문 9편을 실었다. 초파리 뇌 연결지도 자체에 대한 설명부터 초파리가 걷다가 멈추는 동작 뒤에 숨겨진 신경 회로의 작동 메커니즘, 초파리의 색채 반응 원리까지 다양한 발견이 담겼다.

신경세포 13만9255개, 시냅스 5450만개, 세포 종류 8453가지로 이뤄진 이 연결지도에는 새롭게 밝혀진 신경세포 4581종도 포함됐다. 걷고 볼 수 있는 동물의 전체 뇌 연결지도가 나온 것은 이번이 처음이다.

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좁쌀만 한 우주의 지도는 한 사람의 손에서 탄생하지 않았다. 김 교수는 “초파리 뇌 전체의 연결지도를 완성하려는 노력은 대략 15년 전 미국 버지니아에 위치한 자넬리아 리서치 캠퍼스의 다비 박이라는 그룹 리더가 시작했다”고 설명했다. 

자넬리아 리서치 캠퍼스(자넬리아)는 미국 최대 민간 의과학 연구재단 중 하나인 하워드 휴즈 의학연구소가 2006년 설립한 민간 연구소다. 다비 박 연구소장을 필두로 한 연구팀은 2018년 초파리 뇌 전체를 전자현미경으로 촬영한 데이터를 국제학술지 ‘셀’에 발표했다.

김 교수는 “초파리 신경과학계의 기념비적인 논문”이라고 소개했다.

논문과 함께 ‘FAFB’라는 이름의 초파리 뇌 전체 데이터가 공개됐다. 연구진은 이 데이터를 얻기 위해 암컷 초파리의 뇌를 꽁꽁 얼린 뒤 40nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 두께의 얇은 박편으로 잘랐다. 7050여 장의 뇌 조각을 고해상도 전자현미경으로 촬영해 단면 이미지를 얻었다. 이미지 용량만 100테라바이트(1조 바이트), 노트북 100대의 저장 용량에 맞먹는 양이었다.

FAFB 데이터 속 초파리 뇌 단면에도 신경세포들이 김밥 단면처럼 나타나 있다. 문제는 여기서 생긴다. 김밥에서는 색이 달라 단무지와 햄과 시금치를 쉽게 구분한다. 그러나 전자현미경으로 촬영한 초파리 뇌 단면에는 색이 없다. 여러 층의 단면을 비교해 가며 불규칙한 신경세포의 단면이 어떻게 이어지는지 가려내는 고된 작업이 필요하다.

김성수 미국 산타바버라 캘리포니아대 교수는 뇌에서 시각 정보가 어떻게 처리돼 방향감각으로 전환되는지 연구하기 위해 초파리 뇌 연결지도를 활용한다. 사진은 김 교수 연구실에서 초파리(흰색 동그라미) 뇌를 현미경으로 관찰하는 모습. Bryan Jones 제공

플라이와이어는 이 문제를 재치 있게 풀어냈다. 한국계 미국인 이론신경과학자 세바스찬 승 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수가 말라 무르티 프린스턴대 교수와 함께 시작한 프로젝트다. 승 교수는 연구팀의 부담을 덜기 위해 시민과학 방식을 도입했다. 전체 데이터에 접근할 수 있는 웹사이트를 열고 전세계 누구라도 간단한 연습을 거쳐 신경망 재구성 작업에 참여할 수 있도록 했다.

"수백 명의 시민 과학자가 재미로 이 프로젝트에 뛰어들어 엄청난 양의 데이터를 분석해 냈습니다."

자넬리아도 초파리 뇌 연결지도를 만들기 시작하면서 플라이와이어와 자넬리아는 초파리 뇌 완성을 두고 선의의 경쟁을 벌였다.

김 교수는 “2010년대 후반은 인공지능(AI)이 과학계 전반에 큰 영향을 끼치기 시작했던 시기라 자넬리아와 플라이와이어 모두 AI를 사용해 속도를 높였다"며 "2020년대 초반에는 AI의 성능이 크게 향상되면서 사람의 역할이 AI가 재구성한 신경망을 검증하는 쪽으로 바뀌었다”고 말했다.

자넬리아는 수십 명의 전문 인력을 양성해 신경망 재구성에 투입했다. 덕분에 재구성의 질은 높았지만 속도가 느렸다. 결국 플라이와이어가 시작 5년 만에 먼저 논문을 냈고, 자넬리아는 1년 뒤인 2025년 데이터를 공개했다.

쥐의 뇌 연결지도를 만드는 국제 공동연구 프로젝트 ‘마이크론스(MICrONS)’에서 제작해 2025년에 발표한 쥐 뇌 세포 연결지도. 색칠된 구조물 하나하나가 모두 신경세포다. Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Renderings by D. Berger (Harvard University) 제공

플라이와이어 논문에는 작업에 참여한 시민 과학자들 287명의 이름이 빼곡히 적혔다. 승리는 어느 한쪽의 것은 아니다.

“플라이와이어도 자넬리아에서 데이터를 공유해 줬기 때문에 시작될 수 있었습니다. 자넬리아는 사실 데이터를 잘 정돈한 다음에 공유하려는 기조를 갖고 있었죠. 신경과학은 원래 다 같이 함께해야 가능한 분야입니다.”

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“뇌 연결지도 연구는 이제 시작입니다.” 

김 교수는 "플라이와이어 다음 단계는 여러 가지가 될 수 있다. 초파리가 걸을 때, 배가 고플 때, 짝을 찾을 때 등 상태에 따라 신경세포의 연결 강도도 달라진다. 연인에게 차인 초파리와 그렇지 않은 초파리의 행동도 다르다. 뇌 연결지도를 이용해 이런 변화를 설명할 더 믿음직한 가설을 세울 수 있다"고 말했다.

김 교수는 쥐의 뇌 연결지도를 만드는 국제 공동 연구 프로젝트 '마이크론스(MICrONS)'에서도 주도적인 역할을 맡고 있다.

마이크론스는 쥐 시각피질 조각 약 1mm² 안에 있는 뉴런과 시냅스 연결을 전부 재구성하는 프로젝트로 2025년 뉴런 약 7만5000개의 연결지도를 네이처에 발표했다. 포유류 뇌 연결지도 가운데 가장 정밀하다고 꼽히는 이 지도에는 신경세포의 해부학적 연결 정보뿐 아니라 살아 있는 쥐의 뇌에서 각 신경세포가 어떻게 기능하는지에 대한 정보도 함께 담겼다.

뇌 연결지도로 뇌의 활동을 이해하면 새로운 시대가 열린다. 사람의 뇌 연결지도가 나온다면 건강한 뇌와 그렇지 않은 뇌를 비교해 어떤 신경이 제대로 작동하지 않는지 특정하고 치료할 수 있다. 뇌를 보고 질병을 예측하는 일도 가능해진다.

물론 900억개의 인간 뇌 신경세포를 하나하나 디지털 환경에 재구성하는 일은 가까운 미래에 달성하기 어려운 목표다. 예쁜꼬마선충에서 시작된 여정은 느리지만 분명히 인간을 향해 가고 있다.

<참고 자료>
-doi:10.1038/s41586-024-07558-y
 doi:10.1038/s41586-025-08790-w

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[김소연 기자 lecia@donga.com]