By CELIA FORD, WIRED US

국제 연구팀인 오데이(ODAY)는 인간 뇌세포 지도의 매우 상세한 내용을 공유하여 뉴런의 매우 다양한 특성을 지도로 구축한다. 지도는 학술지 사이언스(Science)에 21편의 연구 논문 모음집 발행의 한 부분으로 공개됐다. 각각의 연구 논문은 “뇌에 존재하는 세포 유형은 무엇인가?”라는 현대 접근 방식에서 가장 중요한 똑같은 질문을 한다. 또, “인간의 뇌와 다른 동물의 뇌와의 차이점은 무엇인가?”라는 질문도 한다.

수천억 개에 이르는 세포가 얽혀 있다는 점에서 뇌 전체의 세포 지도를 구축하는 작업은 우리은하의 모든 별을 담은 지도를 제작하는 것과 같다. (각각의 세포의 내부 작업은 각각의 세포 속 작은 세계와 같다.) 인간 뇌세포 지도 프로젝트 자금을 지원하는 미국 국립보건연구원 뇌 계획 부소장 안드레아 베켈 미체너(Andrea Beckel-Mitchener)는 “천문학자가 더 나은 망원경으로 우주 모습을 더 분명하게 보듯이 인간 뇌세포 지도에서 제시하는 분석 툴은 신경과학자가 뇌세포를 자세히 보도록 유례 없는 혁신을 가져온다. 인간 뇌세포 지도는 뇌 기능을 이해할 새로운 경로를 열 것이다”라고 말했다.

세포 유형의 종합 지도와 함께 뉴런의 역할 실행 방식과 뇌 장애가 기능 상실로 이어지는 과정 이해에 접근할 수 있다. 캘리포니아대학교 샌디에이고 캠퍼스 세포 및 분자 의학 교수이자 인간 뇌세포 지도 프로젝트 수석 연구원인 빙 렌(Bing Ren) 교수는 “뇌세포 복잡성 정의를 향한 첫걸음이다. 결과는 놀라웠다”라고 말했다.

이번에 공개된 지도는 최초의 뇌세포 지도가 아니며, 마지막 뇌세포 지도로 남지도 않을 것이다. 그러나 놀라울 정도로 상세한 정보를 담았다. 21편의 연구 논문 모음집에는 뇌 계획 프로젝트의 지난 5년간 진행된 자금 지원 프로그램인 BICCN의 연구 결과가 담겨있다. 미국 국립보건연구원은 인간 뇌세포 지도 제작을 위해 1억 달러를 할당하고, 뇌세포 유형을 그 어느 때보다 더 자세히 분류하는 것을 목표로 했다. 베켈 미체너 교수는 “그동안 인간 뇌세포 지도 계획과 같은 범위에서 유일하게 생각했던 다른 대규모 생물학 문제는 인간유전체 사업(Human Genome Project)이다. 인간 뇌세포 지도는 신경과학 부문의 최대 규모 과학적 연구 노력이다”라고 말했다.

그동안 인간 뇌의 복잡함을 다루는 것은 거의 불가능한 일이었다. 인간 뇌세포 지도 프로젝트를 도운 앨런 뇌과학연구소 수석 연구원 에드 레인(Ed Lein)은 “여러 부분이 상호연결되어 단일한 장기가 아니다. 뇌는 장기 수천 개와 같다”라고 언급했다.
 
인간 뇌세포 지도 프로젝트에 참여하지 않은 카브리 재단(Kavli Foundation) 생명과학 소장 에이미 버나드(Amy Bernard)는 “인간 뇌세포 지도 데이터세트 이전에는 뇌가 복잡하다는 것은 하나의 가설이었다. 이제 세포 다양성을 보고, 뇌를 이해하는 데 어려움을 겪었던 문제를 지원한다”라고 설명했다.

신경과학자는 종종 배선도와 같이 세포 간 연결 관계 측면에서 뇌를 생각한다. 그러나 뇌의 배선도는 항상 각각의 영역이 구성된 방식을 나타내지 않는다. 레인은 뇌세포 다양성을 이해하려면, 신경과학자가 유전학 세계의 속임수를 차용해야 한다고 말한다.

뇌의 주어진 영역 속 모든 세포는 같은 DNA를 공유하지만, 세포마다 각각의 단백질 구성 요소를 결정하는 다른 유전자 조합을 사용한다. 레인은 “모든 세포의 특성과 매이 밀접한 관련성이 있다”라며, 세포마다 다른 유전자 조합이 세포의 모습과 발전 과정, 연결될 세포 종류 등을 형성한다고 설명했다.

뇌 계획 초창기에 과학계에서는 쥐의 뇌세포 지도 제작 방법을 개발했다. 그러나 뇌세포 지도 구축 프로젝트 대상을 쥐에서 인간으로 옮기는 과정이 쉽지 않았다. 인간의 뇌는 쥐보다 15배 더 크며, 뉴런은 수천 배 더 많다. 레인이 전한 바와 같이 뇌 계획의 주요 목표 중 하나는 쥐에 적용된 방식을 확장하여 규모 문제를 없앤 뇌세포 지도를 제작하는 것이었다.

전 세계 연구소 45곳 소속 연구원 250여 명 간의 협력에 의존한 대규모 프로젝트였다. 버나드 소장은 “보통 천체 물리학 분야와 같은 곳의 대규모 연구팀의 연구 소식에 더 익숙하다. 신경과학계에서는 생소한 일이다”라고 말했다. 렌 교수는 “팀을 나누어 다른 연구팀이 반박할 수 없을 때까지 연구를 이어가는 접근 방식을 택했다”라고 설명했다. 연구에 참여한 연구소에서는 기증자 세 명의 뇌에서 처리된 조직을 분리했다. 이 과정에서 분자 생물학자는 DNA 배열 작업을 하고, 그 결과는 분석 작업을 위해 컴퓨터 생물학자에게 전달했다.

렌 교수가 이끈 연구에서 연구팀은 인간 뇌세포 100만 개가 넘는 곳에 존재하는 다른 유전자 활성화와 비활성화되도록 전환하는 분자 스위치를 분석했다. 해당 작업은 뉴런이 어떤 유형의 세포가 되는가 확인할 내부 구성 작업이다. 연구팀은 뇌 영역 42곳에서 100가지가 넘는 다른 세포 유형을 확인했다. 연구팀의 예상보다 훨씬 더 많았다.

데이터세트 범위 확장과 함께 연구팀은 딥러닝 모델을 학습해 유전자 코드의 긴 배열을 읽고, 특정 단백질의 지시 사항이 없어 읽기 어려운 DNA 묶음에 해당하는 코드 배열이 없는 변이 세포가 세포 정체성을 형성하는 방식을 파악했다. 렌 교수는 “초기에는 아무것도 알 수 없다”라고 언급했다. 연구팀은 그동안 상당수 유전자 배열을 읽을 수 없었으나 딥러닝 모델 덕분에 숨겨진 패턴을 추출하고는 인간이 아직 이해하지 못한 바를 알아낼 수 있었다.

연구 논문은 과학계에서 유전자 제어 방식에서부터 세포의 기능 실행 방식과 목적을 잃게 되는 방법을 더 자세히 이해하도록 도움을 주었다. 연구팀은 조현병, 알츠하이머 등 신경 정신병과 강력한 관계가 있는 세포 유형 몇 가지를 강조했다. 연구팀은 뇌를 상세한 단계에서부터 이해하면서 유전적 뿌리로 거슬러 올라가 뇌 질환을 추적하고 연구하고자 하는 질병의 치료법도 찾을 수 있을 것이다. 인간 뇌세포 지도 프로젝트에 참여하지 않은 리버 뇌 개발 연구소 소속 분자 유전학 및 신경과학 전문가인 제니퍼 어윈(Jennifer Erwin)은 “인간 유전학 연구의 신성한 영역이다”라고 평가했다.

인간 유전학 연구 영역은 여전히 제대로 이해하지 못했으나 어느 정도 이해할 수 있는 범위에 들어왔다. 뇌 계획은 수년간 연구 결과를 기다려왔으며, 지금도 연구를 진행 중이다. 연구 노력은 쥐 뇌 구조를 파악하고자 개발한 기법을 인간과 원숭이 뇌 구조 연구로 전환하여 적용하고는 세포 유형을 구분하고 분자 단위에서 인간의 고유한 특성을 찾는 것에 주력한다. 쥐와 인간의 뇌의 공통점과 차이점을 더 자세히 이해하면서 과학계는 약물 실험 단계에 더 깊이 들어가기 전 인간에게 약효가 없을지 파악할 수 있다.

인간 뇌세포 지도 프로젝트를 통해 많은 것이 드러난 만큼 뇌세포 지도는 뉴런 연결, 뉴런이 뇌 전체 영역에 걸쳐 네트워크와 소통 체계를 형성하는 방법을 알려주지는 않는다. 연구팀은 우선 10년이 넘는 기간 동안 휴먼 커넥톰 프로젝트(Human Connectome Project)를 통해 뇌의 신경섬유 경로 지도를 구축하려 했다. 그러나 연결 형성 과정과 시간에 따른 변화, 사고와 행동 생성 방식을 이해하려면 더 많은 연구가 필요했다.

뇌 계획 프로그램은 추후 인간의 신경 다양성을 연구할 계획을 세웠으나 최근 출판된 연구 논문은 신경 다양성을 다루지 않았다. 대다수 연구는 뇌 손상이 없는 유럽계 기증자 3명이 기증한 뇌만으로 조직을 분석했다. 인간 뇌세포 지도 프로젝트와 같은 규모의 연구 시간과 노력, 세금 등을 고려하면, 연구팀은 분자 상세 정보와 인간 다양성 중 하나를 선택해야 했다. 레인은 “광범위한 영역에서 연구를 추진하거나 혹은 상세한 영역을 더 깊이 파고들 수 있다. 그러나 두 가지 모두 동시에 선택할 수는 없다”라고 말했다.

미국 국립보건연구원과 같은 자금 지원 기관은 기존 데이터를 사용하여 신규 데이터를 생성하는 것을 우선순위로 두는 경향이 있다. 그러나 데이터 재사용이 매우 중요해질 것이다. 버나드 소장은 “데이터가 공개되면, 해당 데이터는 영원히 남는다. 데이터는 어딘가 사용할 목적으로 게재된다”라고 말했다. 버나드 소장은 대규모 인간 뇌세포 지도가 온라인에 공개되었다는 점에서 단순히 추가 정보를 제공하고자 하는 연구팀만이 아니라 심층 연구를 원하는 연구팀이 자금 지원을 받을 것으로 본다. 버나드 소장은 “기존 데이터에서 새로운 정보를 다시 발견하는 일이 멋진 일이 되어야 한다”라고 말했다. 렌 교수 연구팀은 유전자 스위치 지도를 공개했으며, 과학계가 약물 개발, 기초 과학 연구, 임상 연구 등을 위해 연구팀의 연구 결과를 활용하기를 바란다.

연구 결과는 연구 결과가 뇌 질환 맞춤 치료 방법을 찾는 일의 가능성이 조금 더 높아지는 신경과학 분야의 새로운 시대를 향한 초석을 마련했다. 버나드 소장은 “과학은 점차 정보가 쌓이지만, 인간은 항상 과학의 놀라움을 널리 알리고자 한다. 이번 인간 뇌세포 지도 프로젝트는 두 가지 사항 모두 해당한다”라고 말했다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
A Groundbreaking Human Brain Cell Atlas Just Dropped