쥐 뇌 물질을 이용하여 포유류 뇌의 최초의 정밀한 3차원 지도를 만들다

과학자들은 모래알 크기의 쥐 뇌 물질을 이용하여 포유류 뇌의 최초의 정밀한 3차원 지도를 만들었습니다.

이 지도는 8만 4천 개의 뉴런, 즉 축삭돌기라고 불리는 긴 팔을 따라 메시지를 전달하는 가지 모양의 구조와 5억 개 이상의 시냅스, 그리고 20만 개의 뇌세포의 형태, 기능, 활동을 상세히 보여줍니다. 이 작은 조직 조각에는 5.4km(3.4마일)에 달하는 신경 배선이 포함되어 있는데, 이는 뉴욕시 센트럴 파크 길이의 약 1.5배에 달합니다.

 

이 연구는 앨런 뇌과학 연구소, 베일러 의과대학, 프린스턴 대학교가 이끄는 22개 기관의 150명의 과학자들이 약 10년간 진행한 연구의 결실입니다.

 

앨런 연구소 데이터 및 기술 부소장인 포레스트 콜먼 박사는 연구소가 공유한 영상에서 "이 프로젝트의 부산물 중 하나는 뇌가 얼마나 놀랍도록 아름다운지를 보여줍니다."라고 말했습니다.

 

"이 뉴런들을 보는 것만으로도 그 세부적인 구조와 규모를 알 수 있습니다. 마치 아주 멀리 있는 은하계 사진을 올려다볼 때처럼 경외감을 느끼며 뇌를 감상할 수 있죠."라고 그는 덧붙였습니다.

이 놀라운 지도는 생쥐 뇌 전체 부피의 500분의 1에 불과하지만, 연구팀은 1.6페타바이트에 달하는 데이터를 확보했습니다. 이는 22년 동안 끊김 없이 HD 영상을 볼 수 있는 분량에 해당합니다. 이 프로젝트는 '피질 네트워크에서 얻은 기계 지능(MICrONS)' 프로그램으로 알려져 있으며, 이미 대중에게 공개되었습니다.

 

휴스턴 베일러 의과대학의 과학자들은 이 지도를 만들기 위해 특수 현미경을 사용하여 실험실 생쥐의 시각 피질(생쥐가 보는 것을 처리하는 곳)에서 1세제곱밀리미터 크기의 조직을 며칠 동안 관찰하며 뇌 활동을 기록했습니다.

연구진은 실험 중 쥐가 깨어 있고 시각적 자극을 받을 수 있도록 러닝머신에서 뛰게 하고 "매트릭스"와 "매드 맥스: 분노의 도로" 등 다양한 영화의 10초 분량 장면을 시청하게 했습니다. 프린스턴 대학교 보도자료에 따르면 모터크로스, 루지, 베이스 점핑과 같은 익스트림 스포츠 유튜브 영상도 시청 목록에 포함되었습니다.

 

애니메이션은 쥐 뇌의 시각 피질 한 열에 있는 1,800개의 세포를 모두 보여줍니다. 쿼루메트릭스 스튜디오의 타일러 슬론
다음으로, 시애틀 앨런 연구소의 연구진은 쥐를 안락사시킨 후, 같은 입방밀리미터 크기의 뇌를 28,000개 이상의 층으로 얇게 썰었습니다. 각 층은 사람 머리카락 두께의 1/400 크기입니다. 각 층의 이미지를 촬영했습니다. 그런 다음 이 이미지들을 합성 이미지로 재구성했습니다.

 

"팀원들이 24시간 교대 근무를 하면서 약 12일 밤낮으로 작업했습니다. 손으로 자르는 것이 아니라 자동화된 기계였기 때문입니다."라고 앨런 연구소 부연구원인 누노 마사리코 다 코스타 박사는 말했습니다.

"한 조각 이상 연속으로 손실될 것 같으면 언제든 작업을 중단할 수 있도록 현장에 있어야 했습니다." 다 코스타 박사는 만약 그런 일이 발생한다면 실험을 처음부터 다시 시작해야 하며, 전체 과정이 매우 "스트레스"가 심했다고 덧붙였습니다.

뉴저지 프린스턴 대학교 연구팀은 이후 머신 러닝 및 인공지능 도구를 활용하여 슬라이스를 통해 모든 뉴런의 윤곽을 추적하고, 분할이라는 과정을 통해 뉴런에 색상을 입혀 개별적으로 조명을 비췄습니다. AI가 생성한 정보는 관련 과학자들이 검증하거나 교정하는데, 이 과정은 아직 진행 중입니다.

 

이 연구는 과학자들이 마우스 뇌 "커넥톰"이라고 부르는 것에 대한 통합된 시각을 제시하는 데 성공했습니다. 커넥톰은 마우스 뇌의 특정 부분이 어떻게 구성되어 있는지 보여주고 다양한 세포 유형이 어떻게 함께 작용하는지에 대한 통찰력을 제공합니다.

프린스턴 대학교 신경과학 에브닌 석좌교수이자 컴퓨터 과학 교수인 세바스찬 승 박사는 "커넥톰은 뇌 과학의 디지털 변혁의 시작입니다."라고 말했습니다.

 

승 박사는 보도자료를 통해 "키보드 몇 번만 누르면 정보를 검색하고 몇 초 만에 결과를 얻을 수 있습니다. 그 중 일부는 예전에는 박사 학위 논문 전체를 써야 얻을 수 있는 정보였습니다. 이것이 바로 디지털 변혁의 힘입니다."라고 말했습니다.

 

*기사 및 사진 출처: cnn