By AMIT KATWALA, WIRED UK

뇌에서 기억이 작용하는 방식을 이해하는 데 바다 달팽이인 에프리시아 캘리포니쿠스(Aplysia Californicus)가 크게 이바지했다. 1피트 길이에 적갈색 빛을 띠며 과학계에서는 뉴런이 전극을 가득 채울 정도로 크다는 점에서 1960년대부터 과학계에서 에프리시아 캘리포니쿠스를 활용한 뇌 연구를 선호해왔다.

그러나 그전에도 연구팀은 신경학 분야 연구의 답을 찾고자 심해를 탐사했다. 오징어를 통해 잠재적인 행동의 근본적 요소를 알아낼 수 있었다. 어떤 신호가 신경 세포와 함께 번식하는지 알아내는 수단을 이용한 덕분이다. 투구게는 인간의 시각 체계 작용 방식을 밝히는 데 도움을 두었다. (물론, 투구게의 눈이 인간보다 8개 더 많다는 차이가 있지만, 연구에 확실히 도움이 됐다.) 문어는 수면 진화 과정 심층 분석 결과를 제시했다.

캘리포니아공과대학교 생물학 및 생물공학 박사 후 연구원인 브래디 바이스부드(Brady Weissbourd)는 “인류가 어떤 연구든 진행 도중 직면한 의문점에 대한 답을 찾고자 심해로 향해 해양 생물종을 찾았다는 길고도 아름다운 역사가 있다”라고 말했다. 바이스부드는 미국 권위 학술지 셀(Cell)에 게재된 다른 해양 생물종을 활용한 인간 신경 연구 방법을 제시한 최신 연구 논문의 제1 저자이다. 바이스부드는 분노를 느낄 때마다 뉴런이 빛나도록 유전자 변형으로 탄생한 해파리를 활용한 연구를 제시했다. 유전자 변형 해파리가 인간과는 그리 다르지 않은 심리 작용 방식을 새롭게 심층 연구를 돕는다.

주로 지중해에 서식하는 해파리 종인 반구컵 해파리(Clytia hemisphaerica)가 과학 연구에 가장 적합한 생물종이다. 반구컵 해파리의 성체 지름은 약 1cm로, 현미경으로 관찰하기 매우 적합하며, 다른 해파리 종과 마찬가지로 투명하다. 연구팀은 초록색 형광 단백질을 생성하는 GCaMP라는 별도의 DNA를 적용하면서 반구컵 해피리의 연구 활용 가능성을 수립했다. GCaMP는 쥐와 제브라피시, 파리 연구에 널리 활용됐으나 사실 GCaMP는 반구컵 해파리와 매우 가까운 관련성을 지닌 해파리에서 처음 생성되었다. 따라서 바이스부드 연구팀은 반구컵 해파리 신체 내에서 자연스럽게 발생할 초록색 형광 단백질 4종을 생성하기 위해 GCaMP를 복제했다.
 
연구팀은 GCaMP 유전자를 삽입하기 위해 반구컵 해파리의 독특한 생애 주기를 이용했다. 반구컵 해파리의 생식 체계는 빛으로 촉진하게 된다. 바이스부드는 “빛이 발생하고 정확히 2시간 후면 반구컵 해파리가 산란하며, 정자가 물속에 투입된다”라고 설명했다. 연구팀은 빛을 켜둔 상태에서 알을 수집하고는 알에 연구팀이 삽입하고자 하는 GCaMP 특성 변형 코드를 투입했다. 이 과정에 반구컵 해파리 DNA와의 연결을 돕는 단백질도 함께 투입했다.

부화한 알은 유충이 돼, 붙어있기 위한 단단한 표면과 같은 곳을 찾기 위해 헤엄친다. 해파리 유충은 본능적으로 바위에 붙어있으나 실험실 현미경이 바닷속 바위를 대신할 완벽한 환경을 제공했다. 해파리 유충이 붙어있는 단단한 표면에는 해파리 서식지로 발전하는 미세한 점막이 자라난다. 서식지는 기본적으로 영원히 변하지 않으며, 새끼 해파리가 탄생한다. 수 주에 걸쳐 젤리 샤워캡과 비슷한 외형을 갖추면서 많은 이들이 알고 있는 해파리 모습이 된다. 바이스부드는 “꽃과 같은 번식 과정을 거친다. 반구컵 해파리는 부화 후 산란 과정을 거친다”라고 말했다.

이제 연구팀은 브라인 슈림프 조합으로 생성된 먹이를 먹고, 몸을 접을 때, 유전자 변형과 함께 탄생한 반구컵 해파리를 현미경으로 관찰할 수 있다. 바이스부드는 “매우 자세한 실험을 진행하면서 시간에 따라 해파리의 행동과 함께 모든 뉴런의 움직임을 관측할 수 있다”라고 언급했다. 연구팀은 기본적으로 반구컵 해파리의 심리를 해석한다. 그리고, 심리는 인간에게 익숙한 것과 다른 요소이다.

해파리는 아네모네, 산호와 함께 자포동물에 해당한다. 해파리와 아네모네, 산호는 6억 년 전에 시작된 자포동물 계통수에서 분리되었다. 바이스부드는 “인간은 해파리보다 오징어나 벌레, 파리와 더 가깝다”라고 설명했다.

해파리는 인간이 생각하는 뇌가 없다. 대신, 반구컵 해파리는 보호막 내부를 덮는 뉴런 네트워크인 신경망이 있다. 중앙 제어 영역은 없다. 반구컵 해파리는 촉수를 잃어도 먹이를 찾을 수 있다. 만약, 먹이를 먹기만 한다면, 반구컵 해파리의 입은 영구적으로 존재한다. 많은 과학자를 당혹케 한 의문 사항은 해파리가 독립체 조직 방법과 신체 다른 영역 간의 직접적인 신호 소통이 없을 때 몸을 접어 입으로 먹이를 가져가는 등 움직임을 위해 협력한 방법이다. 

이 때문에 바이스부드 연구팀은 전체 네트워크 중 약 10%를 차지하는 먹이와 관련된 분리 뉴런 네트워크를 고립시키고 활동 과정을 지켜보면서 연구를 진행했다. 바이스부드는 “한 가지 매우 놀라운 점은 신경 체계의 모듈이 매우 뛰어나다는 사실이다”라고 언급했다. 연구팀은 처음 예상한 신경망을 통해 활동 패턴을 분리하지 않고, 구조 정도를 발견했다. 해파리의 신경망은 이전에 볼 수 없었던 피자 조각과 비슷한 모양의 쐐기 형태로 형성된 것처럼 보였다. 연구소 소장 데이비드 앤더슨(David Anderson)은 기자회견에서 “해파리가 촉수로 브라인 슈림프를 잡을 때, 촉수와 가장 가까운 피자 조각과 같은 모양의 쐐기가 가장 먼저 활성화된다. 그리고, 머리 보호막의 일부분을 안으로 접고는 슈림프를 입으로 가져간다”라고 설명했다.

해파리와는 먼 관련성을 지닌 다른 생물종의 신경 체계 구성 방식과 같다. 일부 생물종은 입으로 먹이를 가져갈 때, 주변에서 중앙 영역으로 자극을 전달하는 신경계가 있다. 관절에서 뇌까지 인간의 척수가 작용하는 방식과 같다. 전기 생리학을 연구하는 브리스톨대학교 연구 펠로인 로버트 미치(Robert Meech)는 “모든 해파리가 같은 신체 체제를 갖춘 것처럼 겪게 되는 문제도 같다. 다른 신경망 두 가지가 같은 문제에 제공하는 해결책의 차이를 관찰할 수 있다”라고 말했다.

해파리의 숨겨진 신경망을 드러내는 것은 시작에 불과하다. 향후 연구 과정은 다른 해파리 종의 행동이나 해파리 전체 신경 체계 구상을 시도할 예정이다. 해파리 연구는 인간의 뇌 발전 역사를 이해도 향상에도 도움이 된다. 인간과 먼 관련성을 지닌 해파리와의 공통점을 찾으면서 인간의 최초 진화 과정을 그려볼 수 있다. 프리부르대학교 신경생물학 교수인 사이먼 스프레처(Simon Sprecher)는 “그동안 여러 포유류 종 관련 연구 정보는 풍부하지만, 자포동물과 같이 초기에 등장한 생물종에 대해서는 아는 부분이 많지 않다. 따라서 해파리와 같은 생물종 연구가 매우 필요하다”라고 말했다.

자포동물은 진화 역사상 최초로 인간과 같은 뉴런을 가졌다. 시간이 지나면서 분리 신경망이 뉴런 집단으로 진화했으며, 결과적으로 뇌와 같이 다른 특별 과정을 담당하는 영역과 함께 중앙화된 신경 세포 집단을 지닌 초기 어류와 같은 척추 동물이 되었다. 

자포동물 진화 과정 연구와 함께 다른 형태의 사고 방식 조직 과정도 엿볼 수 있다. 바이스부드는 “신경 체계나 행동을 위해 선택할 수 있는 구조 문제 연구를 채택하도록 한다”라고 언급했다. 인간 스스로 해파리와의 유사성을 염두에 두기는 어렵다. 해파리의 점막 생애 주기와 생식세포 모두 인간과 매우 다르면서 감각 기관 배열도 인간과 유사한 부분을 찾기 어렵기 때문이다. 

연구팀은 인간의 감정 상태와 비슷한 일부 요소를 관찰했다. 예를 들어, 반구컵 해파리는 산란 도중 특이한 행동을 하며, 배고플 때는 더 빨리 먹이를 먹어치운다. 바이스부드는 “그러나 반구컵 해파리의 신경 상태는 전체적으로 인간과 다르다”라고 설명했다.

스프레처 교수는 유전자가 변형된 해파리는 흥미로운 신규 연구 수단이라고 말한다. 해파리뿐만 아니라 미래 연구가 인간의 모듈러 신경 체계 이해도를 향상할 것이다. 해파리는 오래 존재한 고대 생물체이지만, 고대 생물체가 세계는 물론이고, 포유류와 같은 방식으로 세상을 ‘본다’라고 생각하는 것이 옳은지도 정확히 알지 못한다. 말 그대로 해파리를 살펴본다면, 답을 얻을 수 있을 것이다.

** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
A Gene-Tweaked Jellyfish Offers a Glimpse at Other Minds