파리가 알려준 뇌 비밀! 뇌 연구의 새로운 지평을 열다 -

만약 파리가 단순히 성가시고 더러운 생물이라고 생각한다면, 다시 생각해보아야 한다. 과학자들은 파리의 뇌를 통해 인간의 뇌가 어떻게 작동하는지, 그리고 우리가 왜 그런 방식으로 행동하는지를 이해할 수 있는 열쇠를 찾을 수 있을지 모른다.

최근 네이처(Nature) 저널에 발표된 연구에 따르면, 과학자들은 과일파리의 뇌를 분석해 그 안에 있는 13만 개의 세포와 5천만 개의 연결의 위치, 모양, 연결 관계를 식별했다. 이는 지금까지 성체 동물의 뇌에 대해 이루어진 가장 정밀한 분석으로 평가되며, 한 과학자는 이를 '뇌를 위한 구글 지도'라고 묘사했다.

호기심이 생기지 않는가? 파리의 행동을 엿볼 수는 없지만, 그들이 어떻게 생각하는지는 알 수 있게되었다! 자세히 알고 싶다면 다음 슬라이드에서 확인해자.

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인간 대 파리 -

세바스찬 승(Sebastian Seung) 프린스턴 대학교 컴퓨터 과학 및 신경과학 교수이자 연구 프로젝트 팀의 공동 리더는 흥미로운 질문을 던졌다. "왜 우리는 과일파리의 뇌에 대해 관심을 가져야 하는가?" 그의 답변은 간단하면서도 심오하다. 어떤 뇌가 어떻게 작동하는지를 이해하는 것은 모든 뇌의 작동 원리에 대한 귀중한 통찰을 제공할 수 있기 때문이다.

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성가신 해충 -

파리는 흔히 성가신 해충으로 치부되지만, 역사 속에서 인간 문화에 중요한 역할을 해왔다. 예술, 문학, 민속, 미신에 이르기까지, 이 작은 곤충은 우리의 상상력을 사로잡으며 심오한 상징적 의미를 지녀왔다.

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죽은 자의 영혼을 인도하는 파리 -

고대 이집트 문화에서 파리는 전쟁, 죽음, 파괴와 연관되었으며, "황금 파리 훈장(Order of the Golden Fly)"은 용감한 병사들에게 수여된 상으로, 파리의 끈기와 회복력을 상징했다. 또한 파리는 저승의 사자로 여겨지며 죽은 자의 영혼을 인도하는 역할을 했다고 믿어졌다.

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생태계 중요 개체 -

파리는 중요한 생물지표로서 환경 건강에 대한 귀중한 정보를 제공한다. 특정 파리 종은 오염에 민감하기 때문에 그들의 존재 여부는 생태계의 상태를 파악하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있다.

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과학적 혁신의 이바지 -

초파리는 한 세기가 넘는 기간 동안 연구자들이 유전 메커니즘, 발달 생물학, 신호 전달 경로를 연구하는 데 도움을 주었다. 또한 초파리는 암과 신경 퇴행성 질환을 비롯한 질병의 유전적 기초를 이해하는 데 중요한 역할을 해왔다.

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중요한 기여자 -

파리는 부패의 상징으로 경멸받았지만, 생물학, 의학, 환경 지속 가능성 연구에서 중요한 기여자로 자리매김하며 과학 발전에 기여해왔다.

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생각하는 것보다 우리와 더 비슷하다 -

초파리는 인간 유전자의 약 60%를 공유하고 있어 인간 생물학 및 질병을 연구하는 데 유용한 모델이다. 노화 패턴, 카페인에 대한 반응, 구애 행동 등 인간과 유사한 점은 초파리의 뇌를 연구함으로써 얻을 수 있는 잠재적과학적 발견들을 강조한다.

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꽤 똑똑한 친구 -

과일파리의 뇌는 작은 핀 머리보다 작지만, 매우 복잡한 구조로 정교한 작업을 수행할 수 있다. 이러한 신경 회로를 연구함으로써 과학자들은 파리를 왜 쉽게 잡지 못하는지를 이해하게 되었다.

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왜 그렇게 잡기 어려울까? -

파리의 시각 회로는 매우 정확하게 위협이 어디에서 오는지 감지할 수 있어, 신문을 들고 다가갈 때 즉각적으로 반응하여 위험 반대 방향으로 다리를 움직여 본능적으로 빠르게 도망칠 수 있다.

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커넥톰 -

모든 신경 세포 들이 서로 연결된 연결망에 대한 전체적 지도를 일컫는 커넥톰(connectome)은 과학자들이 다른 종과 비교하고 연구에 확장할 수 있는 실제 뇌 지도를 제공한다. 최근까지 연구자들은 300개의 연결을 가진 간단한 벌레와 3,000개의 연결을 가진 구더기의 커넥톰만 가지고 있었다.

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수 많은 과학자들의 참여 -

파리의 뇌 지도 개발은 국제 과학자 팀의 협력을 필요로 하는 기념비적인 작업이었다. 이 야심찬 조합은 마치 마블 영화의 한 장면처럼 들리는데, 연구자들은 파리 와이어 컨소시엄(FlyWire Consortium)을 구성하였다.

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파리의 뇌에 어떻게 들어가나? -

이를 완성하기 위해, 과학자들은 파리의 뇌를 치즈를 갈듯이 세밀한 기술로 7,000개 섹션으로 잘랐다. 각 조각은 사진을 찍고 디지털로 재구성되었다. 전자 현미경을 사용하여 4백만 분의 1미터만큼 작은 구조를 시각화하였다

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AI가 구출하다 -

그런 다음 연구진은 인공지능을 통해 수백만 개의 이미지를 분석하고 파리 뇌의 복잡한 뉴런 네트워크와 시냅스 연결을 추적했다.

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막대한 수작업 동원 -

하지만 인공지능의 능력에도 불구하고, 이 과정을 완전히 자동화할 수는 없었다. 연구자들은 생성된 지도에서 3백만 개가 넘는 오류를 수동으로 수정해야 했다. 이 거대한 작업은 전 세계의 과학자와 자원봉사자들의 협력을 필요로 했다.

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개별 신경 연결 -

하지만 여전히 해야 할 일이 많았다. 개별 신경 연결 각각의 기능에 대한 설명 없이는 이 지도는 의미가 없기 때문이다. 이는 의료 연구 위원회(Medical Research Council)의 분자 생물학 실험실에 있는 필립 슐레겔(Philipp Schlegel)의 주장이다.

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뇌 GPS -

슐레겔은 뇌 지도가 마음의 구글 맵과 같다고 비유하였다. 이'뇌 지도'는 신경 세포 사이의 경로를 도시의 거리와 건물처럼 나타낸다. 그는 “그러나 뇌의 기능을 진정으로 이해하기 위해서는 거리 이름, 도시 이름, 운영 시간, 전화번호, 리뷰와 같은 것들을 추가해야 한다. 그렇게 해야만 이 복잡한 지도를 탐색하고 의미 있는 정보를 추출할 수 있다”고 설명하였다.

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뇌 지도 분석 -

뇌 지도를 분석함으로써, 연구자들은 다양한 기능을 담당하는 개별 신경 회로를 확인하였다. 예를 들어, 움직임과 관련된 회로는 뇌의 바닥에 위치하고, 시각 처리 회로는 측면에 자리 잡고 있다.

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유레카의 순간 -

시각 처리는 움직임보다 훨씬 더 많은 계산 능력을 요구하므로, 이 회로에 관여하는 신경 세포의 수가 더 많다. 과학자들은 별도의 시각 및 움직임 회로가 존재한다는 사실을 알고 있었지만, 이들 간의 연결은 지금까지 미스터리로 남아 있었다.

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현재까지의 발견 -

연구진은 총 14만 개에 달하는 뉴런(이 중 98%는 분류가 완료됨)과 5천만 개 이상의 시냅스를 파악했다.

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현재까지의 발견 -

이 상세한 뇌 지도를 사용하여, 연구자들은 독특한 기능을 가진 전문 신경 세포를 발견하였다. '호출'신경 세포는 다양한 유형의 정보를 통합하며, '전송' 신경 세포는 서로 다른 신경 회로의 활동을 조정할 수 있다. 또한, 과일 파리의 움직임을 멈추게 하는 특정 회로도 발견되었다.

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우리 뇌는 왜 여전히 미스테리일까? -

인간의 뇌는 파리의 뇌보다 훨씬 크고 복잡하여, 완전한 지도를 만드는 데 엄청난 도전이 된다.

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징검다리 역활 -

파리와 그 130,000개의 연결에 대한 완전한 커넥톰을 갖는 것은 놀라운 기술적 성과이며, 이는 쥐와 같은 더 큰 뇌의 커넥톰을 발견하는 길을 열어주며, 아마도 몇십 년 후에는 우리의 커넥톰를 찾아낼 수 있을 것이다.

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기술적 한계 -

기술 한계로 인해 우리의 신경 네트워크의 복잡한 디테일까지 포착하는 것은 현재 불가능하다. 뇌 스캔은 뇌의 연결망의 일부 측면을 드러낼 수 있지만, 가장 진보된 기술조차도 그 복잡한 네트워크의 일부만을 보여줄 뿐이다.

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인간 뇌 해독과 연관성은? -

그렇다면 우리가 연구한 과일 파리보다 백만 배나 많은 뇌 세포, 즉 뉴런을 가지고 있다면, 곤충 뇌의 연결 지도가 실제로 과학자들이 우리가 어떻게 생각하는지를 배우는 데 어떤 도움이 될 수 있을까?

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향후 연구 -

슐레겔은 이 새로운 뇌 지도가 향후 몇 년 내에 신경과학 분야에서 많은 발견을 촉진할 것이라고 예측하고 있다. 연구자들은 과일 파리의 뇌 지도를 연구함으로써 건강한 뇌가 어떻게 기능하는지를 더 깊이 이해하고자 한다.

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정신 질환 치료법? -

인간의 특정 뇌 영역에서 신경 연결을 매핑함으로써, 연구자들은 신경정신 장애 및 기타 뇌 질환의 근본 원인에 대한 통찰력을 얻기를 희망하고 있다. 국립 보건원(National Institutes of Health)의 뇌 이니셔티브 책임자인 존 응(Johm Ngai)은 “우리가 이해하지 못하는 것을 고칠 수 없다. 이것이 바로 뇌의 연결 구조를 이해하는 것이 매우 중요한 이유이다”라고 강조하였다.

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막대한 데이터와 시간 필요 -

860억 개의 뉴런과 수조 개의 연결을 가진 인간의 뇌 전체를 매핑하는 것은 벅찬 작업이다. 우리의 뇌는 과일 파리의 뇌보다 대략 백만 배 더 복잡하기 때문에, 이 거대한 뇌 지도를 완성하려면 막대한 양의 데이터가 필요하다. 이는 무려 일 년 동안 전 세계의 인터넷 트래픽을 집계한 양에 해당한다고 한다.

출처: (FlyWire) (Nature) (BBC) (The Guardian) (Harvard Medical School) (Medium)

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