14만개 뉴런·5000만개 시냅스… 초파리로 ‘인간 뇌’ 비밀 푼다

세바스찬 승 ‘뇌·신경 배선도’

반쪽짜리서 완전한 지도 작성 성공
“다른 종 뇌 구조·작동 원리에도 적용”

연구팀은 초파리 뉴런 13만 9255개에 대한 지도를 완성했다. 뉴런은 5450만개의 시냅스로 연결돼 감각 인식부터 의사 결정, 비행과 같은 행동 제어에 이르기까지 다양한 기능을 한다. 미국 프린스턴대 제공

세계적인 뇌신경과학자 세바스찬 승 미국 프린스턴대 컴퓨터과학과·신경과학연구소 교수가 초파리의 정밀한 뇌신경 지도를 그려 내 화제가 되고 있다. 인공지능(AI) 분야 석학이기도 한 승 교수는 2018년 삼성전자 최고 연구과학자로 영입된 뒤 2020년부터 2023년까지 삼성전자 통합 연구조직인 삼성리서치 소장으로 재직하다 올해 초 다시 프린스턴대로 복귀했다.

미국, 영국, 이스라엘, 필리핀, 스위스, 독일, 한국, 푸에르토리코, 호주, 포르투갈, 대만, 프랑스 12개국 53개 연구기관과 대학이 참여한 국제 공동 연구팀은 승 교수의 주도하에 초파리의 뇌와 신경 구조를 정밀하게 분석해 일종의 ‘뇌·신경 배선도’를 그리는 데 성공했다. 연구팀은 이번 연구로 초파리의 뉴런 약 14만개와 5000만개 이상의 신경 연결 구조를 밝혀냈다.

이번 연구에 참여한 연구기관은 미국 프린스턴대, 아이와이어(Eyewire), 앨런뇌과학연구소, 웹 디자인·개발 기업인 야이크스 LLC, 매사추세츠공과대(MIT), 하버드대 의대, 하워드휴스의학연구소, 버몬트대 의대, 영국 케임브리지 MRC분자생물학연구소, 케임브리지대, 옥스퍼드대, 이스라엘 하이파대와 플라이와이어(FlyWire) 연구 컨소시엄이다. 이 연구 결과는 과학 저널 ‘네이처’ 10월 3일자에 9편의 논문으로 실렸다.

뇌 기능은 뇌 신경세포(뉴런)와 이들을 잇는 시냅스의 연결에 좌우된다. 뉴런과 시냅스가 동물 개체의 다양하고 정교한 행동을 가능하게 만든다는 말이다. 많은 과학자가 뉴런·시냅스 연결 지도를 작성하려고 하는 이유는 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 이해를 높일 수 있기 때문이다.

성체 초파리 뇌의 가장 큰 뉴런 50개를 표시한 뇌 지도. 미국 프린스턴대 제공

초파리는 생명과학 분야에서 일반적으로 사용되는 동물 모델로, 생애 주기가 짧고 번식력이 뛰어날 뿐만 아니라 다른 동물보다 유전체가 간단해 오랫동안 실험 모델로 사용됐다. 특정 유전자를 수정하거나 제거하는 등 유전자를 조작하기도 쉽다. 초파리는 비행, 항법, 사회적 상호작용 등 다양하고 복잡한 행동을 보이지만 인간의 뇌보다 뉴런이 약 100만 배 적어 신경 회로 지도를 만드는 데 이상적인 동물로 꼽힌다. 지금까지 초파리에 대한 부분적 지도는 작성됐지만 전체 뇌에 대한 완전한 지도는 없었다.

이전까지 가장 큰 초파리 뇌 연결망은 뉴런 약 2만개와 1400만개의 시냅스로 연결된 반쪽짜리였는데 이번 플라이와이어 연구 컨소시엄이 만든 새로운 지도는 7배 많은 13만 9255개의 뉴런, 4배 많은 5450만개의 시냅스를 찾아 지도로 만들었다. 또 연구팀은 뉴런의 분류, 세포 유형, 기능을 정밀하게 구분해 8400개 이상의 세포 유형을 식별했고, 그중 4581개는 새로운 유형이라는 사실을 밝혀냈다. 다른 논문들에서는 특정 뉴런 간의 연결성이 움직임과 같은 행동들을 어떻게 조정하는지 밝혀냈다.

승 교수는 “초파리 뇌 신경망을 분석하는 데 사용된 이번 연구 방법은 다른 동물 종(種)의 뇌 신경망을 매핑하는 데도 도움이 될 것”이라고 말했다.

유용하 과학전문기자