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이 프로젝트는 일반인 참가자들이 온라인(www.eyewire.org) 상에서 전자현미경으로 찍은 쥐 뇌의 사진들을 바탕으로 신경세포(뉴런·neuron) 등을 찾아 연결해 뇌 신경계를 완성해나가는 게임이다. ‘3차원 영상의 뇌 신경세포 지도’(커넥톰·connectome)를 만드는 것이다.
현재 100여 개 국가에서 14만 명 이상이 참여하고 있다. 국내에선 이달부터 이동통신회사인 KT(030200)가 이 게임의 한국판 버전을 서비스하고 있다. 이 프로젝트의 1차 목표는 쥐 망막의 특정구역에 있는 348개 뉴런의 구조 파악이다. 지금까지 95개 뉴런의 구조를 밝혀냈다고 한다.
쥐 뇌의 지도는 궁극적으로 인간의 뇌를 완전히 그려내기 위한 머나먼 여정의 출발단계다. 인류는 먼 은하를 탐험하고 소립자도 규명했지만 두 귀 사이의 무게 1.4kg 신체조직(뇌)은 미지의 대상으로 남겨두고 있다.
인류는 과학적 탐구를 위해 그리고 당장 치매와 자폐, 파킨슨병 등 뇌질환 치료를 위해 자신의 뇌에 도전장을 내밀었다.
◇ 인간 뇌의 구조와 기능을 한 눈에..미·EU·일 ‘스타트’
인간의 뇌는 신경계를 이루는 기본세포인 뉴런에서 다른 뉴런으로 전기신호를 보내는 방식으로 의식과 신체 행동 등을 조정한다. 뉴런들의 접촉 지점에는 시냅스(synapse)가 있어 신호전달을 담당한다.
뇌 지도는 어느 위치에 무엇이 있고 그것이 무엇을 하는지를 규명하는 것이다. 구체적으로 나노미터(1nm = 10억분의 1m) 크기의 뉴런과 시냅스의 구조(연결 네크워크)를 시각화(영상화)하고 각각의 기능을 파악한다.
퇴행성 뇌질환은 뉴런 파괴나 신호전달 이상 등이 주요 원인으로 지목된다. 만약 뇌 영역과 그 안의 뉴런 및 시냅스의 구조와 기능을 알면 답이 없는 뇌질환 치료제 개발에 획기적 실마리를 줄 수 있다.
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인간 뇌 지도는 각각 1000억 개의 뉴런과 150조 개의 시냅스를 시각화하는 실로 엄청난 작업이다. 지난 2003년 완료된 ‘인간 게놈프로젝트’(인간 게놈의 모든 염기서열 해석) 이후 최대의 과학 프로젝트가 될 전망이다.
◇겉에서 크게 보기와 안에서 자세하게 보기
뇌 지도는 영역들을 중심으로 ‘거시적으로’ 보는 방법과 특정 영역의 내부를 ‘미시적으로’ 보는 방법으로 나뉜다. 비유를 들자면 ‘전국지도’와 ‘동네지도’인 것이다.
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fMRI의 최대 해상도는 1mm로 뇌 주요 부위를 영상화하고 특정 부위 역할도 파악할 수 있다. 그러나 뉴런과 시냅스는 볼 수 없다. 전국지도용 기기로는 동네지도를 못 만드는 것이다.
뉴런과 시냅스 관찰에는 주로 전자현미경이 이용된다. 쥐 등 동물의 뇌 일부를 꺼내 아주 얇게 자른 뒤 단면(슬라이스)들을 전자현미경으로 촬영한다. 이 2차원 이미지들을 연결해 3차원의 뇌신경 네트워크를 구성하는 것이다. 아이와이어 프로젝트가 대표적이다.
다만 이 방법으론 뇌의 영역 등 큰 그림은 볼 수 없고 죽은 세포만 볼 수 있어 기능 파악도 어렵다.
이계주 한국뇌연구원 책임연구원은 “전국지도와 동네지도를 결합할 수 있는 기술이 개발돼야 한다”며 “미국 브레인이니셔티브도 처음 5년 동안 최적화된 시각화 기술을 개발하고 이후 5년간 실제로 지도를 만들겠다는 내용”이라고 설명했다.
◇‘멀티스케일로 살아있는 뇌 세포 보기’..기술한계 넘어야
뇌의 구조와 기능을 완벽히 담은 지도 작성은 우선 기술의 한계를 넘어서야 한다. 김진현 한국과학기술연구원(KIST) 기능커네토믹스연구단 박사는 “센티미터(cm)에서 나노미터(nm)까지 ‘멀티 스케일’로 ‘살아있는 세포’를 볼 수 있는 것이 뇌의 신비를 풀 수 있는 궁극의 기술이다”고 말했다.
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다만 광유전학의 인간 적용을 위해선 △빛에 민감한 단백질 유전자를 바이러스를 통해 인체에 삽입하고 △두개골에 구멍을 내 광섬유를 꽂아야 한다. 기술적 개선이 더 필요하다는 의견이 나온다.
인간은 지금까지 길이 1mm의 선형동물인 ‘예쁜꼬마선충’의 신경계 지도를 완성해냈을 뿐이다. 이 선충의 뉴런 302개와 시냅스 7000개를 지도로 만드는 데 12년 넘게 걸렸다.
그렇지만 현재의 기술적 어려움이 인간 뇌 지도를 포기하게 하는 이유는 되지 못할 듯하다. 고령화 시대에서 사회적 문제로까지 부상한 치매 등 뇌질환 문제의 해결을 위해선 인간 뇌 지도 완성이 필수이기 때문이다.
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☞ '뇌 영상'과 '혈액검사'로 치매 조기진단 나선다