인간 측두엽 피질 3차원 지도

▲Science

제프 리히트먼 미국 하버드대 교수팀이 촬영한 뇌 신경세포(뉴런)이미지(위쪽 사진). 1 연구팀이 전자현미경으로 촬영한 인간 측두엽 피질 1mm3의 구성 요소들. 맨 위부터 신경망, 흥분성 뉴런, 억제성 뉴런, 성상교세포, 희소돌기아교세포, 미엘린, 혈관 순이다. 2 촬영한 이미지를 종합해 3차원 지도로 나타냈다. 3 3차원 지도를 확대했다. 초록색과 빨간색 부분이 시냅스다.

쌀알 반만 한 뇌 조각에는 얼마나 많은 뇌세포가 들어있을까. 제프 리히트먼 미국 하버드대 뇌과학센터 분자세포생물학과 교수가 이끄는 공동연구팀이 현미경과 인공지능(AI)을 이용해 약 1mm³ 크기 뇌 조직의 세포 분포를 재구성한 결과를 5월 10일 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다. ^{doi: 10.1126/science.eadk4858}

기존에는 뇌의 기능이나 구조를 판별하기 위해 MRI(자기공명영상)와 같은 방법을 사용했다. 그런데 이런 방법으로는 신경세포(뉴런) 하나하나의 구조까지 식별하기는 어려웠다. 이번에 연구팀은 뇌전증 환자의 수술 과정에서 측두엽 피질 샘플 1mm³를 얻어 뇌 지도를 그리는 작업을 진행했다.

연구팀은 우선 광학 현미경을 이용해 뇌 샘플이 정상임을 확인했다. 세부 구조를 식별하기 쉽게 만들기 위해 샘플을 염색하는 과정이 이어졌다. 염색된 샘플을 레진에 담가 굳히고, 아주 얇은 칼로 잘랐다. 그런 다음 현미경 시스템에 얹어주는 자동 테이프 수집 초박절편(ATUM텮utomatic Tape-collecting Ultramicrotome)을 이용해 샘플을 5019개의 조각으로 잘랐다. 잘린 샘플 한 조각의 평균 두께는 33.8nm(나노미터는 10억 분의 1m)였다. 그 후 전자 현미경으로 각각의 절편을 하나씩 촬영해 이미지로 만들었다.

이렇게 얻은 이미지 데이터는 페타바이트 단위의 스케일을 자랑했다. 쌀알보다 작은 조직에서 4K 영상을 5달 반 동안 찍었을 때만큼의 고해상도 데이터가 나온 것이다. 연구팀은 이 방대한 이미지들을 AI로 분석한 다음 합쳐, 3차원(3D) 뇌 지도로 재구성했다.

연구팀이 만든 뇌 지도에는 약 5억 7000만 개의 뉴런, 1억 5000만 개의 시냅스 연결, 신경교세포, 230mm의 혈관 등 뇌 샘플 속 모든 조직 요소가 담겼다.

또한 뇌 지도를 통해 최대 50개의 다중 시냅스 연결을 만드는 뉴런, 방향성 지향 뉴런, 서로가 거의 완벽한 거울인 뉴런쌍 등 이전에 발견되지 않은 새로운 형태의 뉴런들도 발견했다. 이러한 뉴런들이 뇌에서 어떤 역할을 하는지는 아직 불분명하다.

연구팀은 만든 뇌 지도를 웹 기반의 3D 시각화 시스템인 뉴로글랜서에 공개했다. 연구팀은 “다른 사람의 뇌 샘플을 활용해서 뇌 지도를 만드는 시도를 이어갈 계획”이라면서 “다만, 전체 뇌의 지도는 빠른 시일 내에 완성되기는 어려울 것”이라고 전했다.