<뇌 우주 탐험>뇌세포 연결망 지도로 만들면… 치매 치료 길 찾고 AI 신기술 뚫는다

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② 뇌과학의 종착역 ‘브래인맵’

PET·fMRI 등 영상기기 발달
뇌 구조·기능 통합적으로 파악

도청기 설치하듯이 탐침 꽂아
무슨 명령 오가는지 신호 해독
색깔로 세포 정보 교환량 표시
단백질·유전자 분자 분석까지

“뇌의 지도를 그려라!” 머릿속 길을 찾는 과학자들이 뇌의 구조와 기능을 한눈에 볼 수 있는 브레인맵 작성에 온 힘을 쏟고 있다. ‘보는 것이 믿는 것(Seeing is believing)’, 눈으로 봐야 인간은 미지의 지식을 가장 쉽게 이해하기 때문이다. 뇌 지도는 뇌 과학의 출발점이자 종착역이다. 19세기 골상학에서 20세기 초 브로드만 지도, 호문클루스 맵을 거쳐 전자현미경과 뇌 이미징(영상) 장비에 이르기까지 완벽한 뇌 지도 작성은 뇌 과학의 오랜 꿈이다.

뇌는 ‘머릿속 블랙박스’로 불린다. 단단한 뼈(두개골)와 ‘혈액-뇌 장벽(Blood-Brain-Barrier·BBB)’ 같은 이중, 삼중의 보호장치로 둘러싸여 있다. 그만큼 중요기관이란 뜻이다. 문제는 이들 검문소를 통과해 뇌의 깊숙한 영역에 들어가기가 쉽지 않다는 것. 뇌 속을 보는 방법은 침습(侵襲·Invasive), 비침습의 양대 방식으로 나뉜다. 뾰족한 침을 수술로 뇌에 찔러넣으면 신호 포착은 좋지만 환자가 힘들다. 머리뼈 밖에서 사진을 찍거나 흘러나오는 뇌파를 측정하면 고통은 덜하지만 약한 신호를 제대로 해석하기 어렵다. 양쪽 기술의 장단점을 살려 보완하는 방향으로 진보가 이뤄지고 있다.

뇌 지도는 장비 싸움이다. 생물학의 현미경, 천문학의 망원경이 효자였듯 뇌 과학은 1970년대 양전자방출단층촬영(PET), 1990년대 기능적 자기공명영상(fMRI)처럼 활동 중인 뇌의 영상을 선명하게 찍을 수 있는 의료영상기기가 발명되면서 뇌의 구조뿐 아니라 기능까지 통합적으로 이해하는 전기를 맞았다. 뇌 속 길의 모양을 보는 구조(structure) 뇌 지도에 이어 차량 통행량도 보는 기능(function) 뇌 지도까지 그릴 수 있게 됐다. 여기에 뇌세포(뉴런)를 이루는 단백질·유전자의 구성까지 보려는 분자 뇌 지도가 가세하고 있다. 좋은 뇌 지도는 치매·파킨슨병 등 뇌 질환의 진단과 치료, 차세대 인공지능(AI) 개발의 필수 도구다. GPS 좌표를 알아야 정밀 공격이 가능한 원리다.

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◇구조 뇌 지도 = 해부학적 관찰로 시작해 광학·전자현미경, 자기공명영상(MRI) 등 뇌 이미징 장비가 발달하면서 점점 정확한 지도 작성이 가능해졌다. 이제는 거시(Macro·뇌 전체)-중간(Meso·특정 부위)-미시(Micro·뉴런과 시냅스)로 나눠 계층적 분석까지 가능하다. 전국 지도, 도별 지도, 시·군·구 지도에 해당한다. 최신 미시 지도는 죽은 동물의 뇌를 극도로 얇게 수천 장 잘라(slicing) 이를 각각 전자현미경으로 촬영한 다음 컴퓨터로 적층해 3D 이미지로 만든 것이다. 미국·유럽연합(EU)의 뇌 프로젝트 필수 기술이다. EU는 뇌를 1마이크로미터(㎛) 두께의 7000조각으로 자르고, 이를 각 이미지당 10GB 이상 고해상도로 스캔해 지도를 만든다. 전체 뇌 조각의 이미지 정보가 2페타(peta·1015)바이트를 넘어 지금보다 더 강력한 슈퍼컴 개발도 병행하고 있다. 미국은 전체 뉴런의 연결망을 그리는 휴먼 커넥톰(connectome) 프로젝트를 진행 중이다. 초정밀 미시 지도까지 완성되면 기존 거시 지도와 연결하고, 유전체·단백체 등 더 깊은 분자의 세계로 들어가려 한다.

◇기능 뇌 지도 = 살아 움직이는 동물의 뇌 활동을 관찰하면서 뇌 어느 부위 또는 세포가 무슨 일을 하는지 파악할 수 있다. 기쁠 때, 화날 때 등 특정 정신상태에서 PET는 신진대사(포도당), fMRI는 혈액 내 산소의 소모를 포착해 촬영한다. 뇌의 활성화 정도를 총천연색 지도로 보여준다. 노란색과 빨간색은 활성화(증가), 파란색과 초록색은 비활성화(억제)된 곳을 표시한다. 활성화란 뇌세포끼리 정보를 많이 교환한다는 뜻이다. 도로에 통행량이 늘어나는 개념이다. 다만, 수초 간 시간적 지연이 있다. 생각한 후 좀 있어야 포도당과 산소 소모가 늘기 때문이다. 그래서 실시간으로 뇌에서 방출되는 뇌파와 뇌 자장을 측정·분석하는 EEG, MEG도 동영상 뇌 지도 작성의 대표 기술로 꼽힌다. 읽어낸 신호를 해석하는 후반 작업이 어렵다. 또, 탐침(전극)을 꽂아 뇌 신호를 포착하는 침습적 BMI(Brain Machine Interface) 기술 역시 뇌에 도청기를 설치하는 일에 비유된다. 중간에 가로채 무슨 명령이 오가는지 알아내는 작업이다. 최근 부드러운 유연 전극이 나와 포착 범위가 넓어지고 수술 후유증은 줄었다.

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◇분자 뇌 지도 = 뉴런을 구성하는 단백질, 그리고 그 제조명령서인 유전자의 종류와 상호 관계 지도까지 그리려는 시도다. 미시 지도보다 더 정밀한 나노(Nano) 지도라 할 수 있다. 신경세포의 단백질체·유전체 분석은 뇌 과학의 최전선으로 가장 경쟁이 치열한 분야다. 빛 자극으로 표적 단백질체만 형광색으로 발광시키는 광유전학(Optogenetics)도 최신 기술로 부상 중이다.

노성열 기자 nosr@munhwa.com