국제 플라이와이어(FlyWire) 컨소시엄, 성충 초파리 뇌의 ‘14만 개 뉴런’ 전체 커넥톰 지도 완성

신경과학자, 컴퓨터 과학자, 시민 자원봉사자들로 구성된 국제 연구 연합 ‘플라이와이어 컨소시엄(FlyWire Consortium)’이 성충 초파리 뇌의 모든 신경세포 연결망을 뉴런 단위로 낱낱이 밝혀낸 최초의 완전한 시냅스 배선도—커넥톰(Connectome)—를 공개했다. 미국 프린스턴대학교와 영국 케임브리지대학교, 영국 의학연구위원회(MRC) 분자생물학연구소 연구진이 공동 주도해 세계적 학술지 네이처(Nature)에 9편의 논문 컬렉션으로 발표한 이 지도는 암컷 성충 노랑초파리(Drosophila melanogaster) 뇌 속의 뉴런 13만 9,255개와 시냅스 5,450만 개를 모두 담아냈다.

초파리의 뇌는 폭이 1밀리미터 미만으로 양귀비 씨앗보다 작지만, 그 안에는 비행과 양안 시각, 공간 탐색, 연상 기억, 몸단장, 구애 노래를 정교하게 제어하는 약 149.2미터 길이의 생물학적 신경 배선이 응축되어 있다. 플라이와이어의 이번 성과 이전에 전체 뇌 커넥톰이 완전히 해독된 생물은 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans·302개 뉴런), 해양 갯지렁이 유충(Platynereis dumerilii), 그리고 초파리 유충(3,016개 뉴런)뿐이었다.

전자현미경 촬영·AI 분할과 전 세계 연구진의 협업 교정

지도 제작은 2018년 하워드 휴즈 의학연구소 자넬리아 연구캠퍼스의 다비 복 박사 팀이 구축한 원시 데이터에서 출발했다. 당시 연구진은 암컷 초파리 한 마리의 뇌를 40나노미터 두께의 초박형 절편 7,050개로 잘라 고속 투과전자현미경으로 촬영했다. 프린스턴대의 세바스찬 승(한국명 승현준) 교수와 말라 머시 교수는 이 2,100만 장의 고해상도 흑백 이미지를 3차원 배선도로 변환하기 위해 세포막과 시냅스 접합부를 자동으로 추적하는 머신러닝 알고리즘을 개발했다.

그러나 인공지능(AI)만으로는 미세한 간극에서 추적 오류가 발생했기 때문에 프린스턴대 연구팀은 개방형 협업 플랫폼을 구축해 전 세계 140여 개 연구실 소속 287명의 과학자와 시민과학 게이머들이 모든 뉴런을 수작업으로 검수(proofreading)하고 주석을 달 수 있도록 했다. 케임브리지대의 그레고리 제프리스 박사와 필립 슐레겔 박사 등 공동 연구진은 이를 통해 뇌 회로를 8,453개의 고유한 세포 유형으로 분류했으며, 이 중 절반 이상인 4,581개는 과학계에 처음 보고되는 새로운 세포 유형이었다.

“뇌가 어떻게 작동하는지 이해하려면 모든 뉴런이 어떻게 맞물려 우리가 생각할 수 있게 만드는지에 대한 기전적 이해가 필요합니다. 성충 초파리의 완전한 커넥톰을 확보한 것은 신경과학에 있어 변혁적인 사건입니다.” — 세바스찬 승(승현준), 프린스턴대학교 신경과학 및 컴퓨터과학 교수

뇌 전체 신호 시뮬레이션 성공과 포유류 뇌 지도화를 향한 도약

네이처 특집호에 함께 실린 후속 연구들은 누구나 열람할 수 있는 이 데이터베이스의 강력한 예측력을 곧바로 입증했다. 한 실험에서 프린스턴대 연구진은 전체 커넥톰의 컴퓨터 시뮬레이션 모델을 구축해 단맛이나 쓴맛 수용체를 자극했을 때 어떤 하위 운동 회로가 활성화될지 예측했으며, 이는 실제 살아있는 초파리의 뇌 영상 기록과 90% 이상의 일치율을 보였다. 다른 논문들은 색상 및 움직임 감지 시각 경로 전체와 걷던 초파리에게 멈추라고 명령하는 특정 ‘정지(halt) 뉴런’ 회로를 규명했다.

초파리는 알려진 인간 질병 관련 유전자의 4분의 3을 포함해 전체 DNA의 약 60%를 인간과 공유하기 때문에, 연구진은 이번 커넥톰이 신경계 질환 연구와 에너지 효율적인 차세대 인공지능 아키텍처 설계에 필수적인 청사진을 제공한다고 설명한다. 플라이와이어를 통해 검증된 기술 도구를 바탕으로 신경생물학자들은 이제 초파리보다 약 500배 많은 약 7,000만 개의 뉴런을 가진 생쥐의 전체 뇌 커넥톰 지도화라는 다음 목표를 향해 나아가고 있다.

Sources

• Nature Portfolio
• Princeton Neuroscience Institute