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“1㎣ 크기의 뇌 조직과 그 안의 모든 뉴런이 발화하는 방식에 대한 정확한 배선도를 만드는 것과 같은 불가능한 일을 요구하는 것은 부질없는 일이다.”
1953년 디엔에이(DNA) 이중나선 구조를 발견한 공로로 노벨생리의학상(1962)을 수상한 프랜시스 크릭(분자생물학)은 1979년 미국 대중과학잡지 ‘사이언티픽 아메리칸’에 기고한 글에서 이렇게 토로한 바 있다.
150명이 넘는 과학자들로 구성된 국제공동연구진이 모래알 크기만 한 1㎣ 새희망홀씨대출 무직자 의 생쥐 뇌 부위에 대한 고해상도 배선 지도를 완성함으로써, 거의 반세기 만에 그 불가능의 벽을 넘어서는 데 바짝 다가섰다.
1㎣는 전체 생쥐 뇌의 0.2%에 불과한 크기다. 하지만 이 작은 크기의 뇌 지도엔 고화질 영상 22년 치 분량에 해당하는 1.6페타바이트(160만기가바이트)의 데이터가 들어 있다.
미국 앨런뇌과학 보증재단 연구소와 프린스턴대, 베일러의대 과학자들이 중심이 된 마이크론스(MICrONS·Machine Intelligence from Cortical Networks) 컨소시엄 국제공동연구진은 7년여간에 걸쳐 생쥐 뇌 시각피질의 1㎣ 크기 조직을 분석한 결과를 10일 국제학술지 네이처 등에 10편의 논문으로 나눠 발표했다.
이날 발표된 생쥐 뇌 지 우리카드 하이패스 도엔 8만2천개의 뉴런을 포함한 20만개 세포, 5억2300만개의 시냅스(뉴런 간 연결 부위), 4㎞의 축삭돌기(다른 세포로 뻗는 가지)를 포함한 5.4km 신경연결망이 포함돼 있다.
‘피질 기반 기계 지능’이란 뜻이 있는 이름처럼 이 프로젝트는 뇌가 정보를 처리하고 학습하는 연결 구조와 작동 방식을 밝혀, 이를 기반으로 인간 수준의 인지 신규창업자금 능력을 갖춘 새로운 머신러닝 기술을 개발하는 것을 목표로 한다.
연구팀 총괄 데이비드 마코위츠 박사는 “이번 연구 성과의 잠재력은 인간 게놈 프로젝트(HGP)에 비견할 만하다”며 “기존 기술 한계를 뛰어넘어 지능 이해에 필요한 신경 구조와 기능 간의 관계를 연구할 수 있는 기반을 구축함으로써 뇌 전체 수준으로 연구를 확장할 수 있는 토대 파산조건 를 마련했다”고 의미를 부여했다.



생쥐의 뇌를 얇은 조각으로 잘라내는 장면. 앨런뇌과학연구소 제공


머리카락 400분의 1 두께로 잘라 분석
과학자들이 동물의 뇌에 있는 뉴런의 실체를 확인한 건 130년도 넘는 1888년이다. 하지만 뉴런이 뇌 속에서 어떻게 분포해 있고 연결돼 있는지 파악하는 것은 하늘의 별 따기 만큼이나 어려운 작업이었다.
동물 뇌 지도의 첫 성과는 1986년에 나왔다. 302개의 뉴런으로 구성된 예쁜꼬마선충의 뇌 지도였다. 프린스턴대가 중심이 된 국제연구진이 지난해 발표한 초파리 전체 뇌 지도는 14만개의 뉴런으로 구성돼 있다. 인간의 경우엔 지난해 1만6천개의 뉴런을 포함한 5만7천개 세포와 1억5천만개 시냅스로 구성된 1㎣ 뇌 지도가 발표됐다. 이번에 발표된 뇌 지도는 이것보다 훨씬 상세하고, 뉴런 연결 뿐 아니라 뉴런 활동까지 담아냈다는 점에서 새로운 이정표라 할 만하다. 뇌의 기능과 구조를 함께 보여주는 다차원 뇌 지도인 셈이다.
연구진은 생쥐의 뇌 중 눈으로부터 받은 신호를 처리하는 시각피질에 주목했다. 연구진은 우선 생쥐에게 두시간 동안 다양한 장면의 영상을 보여주면서 해당 부위의 뉴런 활동을 기록했다. 그런 다음 생쥐의 뇌를 해부하고 그 안에 경화제를 뿌렸다. 이어 딱딱하게 굳은 뇌 조직을 사람 머리카락 두께의 400분의 1정도로 얇게 2만8천개 조각으로 잘라낸 뒤 각각의 조각을 촬영했다.
그 다음 작업은 인공지능 몫이었다. 연구진은 별도로 훈련시킨 컴퓨터 알고리즘을 이용해 각 조각을 분석하고 뉴런의 모양과 연결 부위를 파악해 이어붙였다. 이렇게 해서 총 20만개의 세포를 잇는 뇌 지도가 완성됐다.



생쥐의 뇌 조각 사진을 전자현미경으로 보고 있는 연구원. 앨런뇌과학연구소 제공


신경 억제 세포의 활동 규칙 발견
프로젝트를 이끈 과학자 가운데 한 사람인 누노 다 코스타 박사(앨런뇌과학연구소)는 뉴욕타임스에 “컴퓨터 화면에서 세포들이 형태를 갖춰가는 모습을 지켜보는 것만으로도 숨이 멎을 듯했다”고 말했다.
연구진은 마지막으로 신경세포와 그 연결망이 어떻게 기능하는지 알아보기 위해 생쥐가 영상을 볼 때 기록한 뇌 활동을 지도로 만들었다. 이를 통해 지금까지 알려지지 않았던 뇌의 배선 규칙을 알아낼 수 있었다.
연구진은 “가장 놀라운 발견 중 하나는 뇌 안에서 새로운 억제 원리를 발견한 것”이라고 밝혔다. 그동안은 신경 활동을 억제하는 세포(뉴런)는 그냥 다른 세포의 활동을 약화시키는 단순한 것으로 생각했다. 그러나 억제 세포는 무작위로 행동하는 것이 아니라, 어떤 흥분 세포를 표적으로 삼을지 매우 선택적으로 결정하는 것으로 나타났다. 예컨대 어떤 억제 세포는 여러 흥분 세포를 억제하는 반면, 어떤 억제 세포는 특정 유형의 세포만을 표적으로 삼았다.
하버드대 마리엘라 페트코바 박사팀은 네이처 논평논문에서 “이 지도는 포유류 뇌의 한 영역, 그것도 아주 작은 부분을 보여주지만 살아 있는 포유류의 뇌 구조와 신경 활동을 연결한 가장 포괄적인 데이터”라며 “이는 신경과학의 소중한 공동자원이자 큰 도약”이라고 평가했다.



인간의 뇌(왼쪽)와 생쥐의 뇌 크기 비교. Amy Sterling/medical express에서 재인용


10년 안에 생쥐 전체 뇌 지도 완성 목표
연구진의 다음 목표는 생쥐의 전체 뇌 지도를 완성하는 것이다. 생쥐의 뇌 크기는 약 500㎣다. 지금과 같은 방식으로 뇌 지도를 완성하려면 수십년 이상 걸릴 각오를 해야 한다. 연구진은 새로운 기술을 개발해 10년 안에 끝낸다는 목표를 설정했다.
사람의 뇌는 생쥐보다 약 1000배나 크다. 이를 고려하면 사람의 뇌 지도를 완성하기까지는 아직도 갈 길이 멀다. 연구진은 그러나 생쥐의 뇌 지도가 인간 뇌 연구에도 일정한 기여를 할 것이라고 본다. 이번 연구진의 일원이자 지난해 초파리 뇌 지도 작성을 이끌었던 서배스천 승(승현준) 프린스턴대 교수(신경과학)는 뉴욕타임스에 “생쥐의 뇌와 인간의 뇌는 매우 비슷하기 때문에 해로운 부작용 없이 정신질환을 효율적으로 치료할 수 있는 약물을 찾는 데 도움이 될 단서를 얻을 수 있을 것”이라고 말했다.
생쥐 전체 뇌 지도를 작성하는 연구는 미국 국립보건원(NIH) ‘브레인 이니셔티브’ 프로그램의 자금 지원을 받고 있다. 그러나 지난해 의회가 이 프로그램의 예산을 40% 삭감한 데 이어 지난 3월엔 트럼프 대통령이 예산을 20% 더 삭감했다.
*논문 정보
Functional connectomics spanning multiple areas of mouse visual cortex. Nature 640, 435–447 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08790-w
곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr