커넥톰이 무엇인가요?

아래는 2012년 11월 27일의 신경과학 관련 영어 블로그 What is a connectome?을 한국인 플레이어 @scoobi님이 번역하고, Kyung Lim이 블로그 포스팅 전 교정 작업을 하였습니다.

커넥톰이 무엇인가요?

우리는 Quora에 물어보았고, Carnegie Mellon University의 석사 학생인 David Zhou가 답해주었습니다.

커넥톰이란 뇌의 배선도입니다.

두 개의 뇌세포, 다시 말해 뉴런들은 세포체 일부를 사용하여 세포 외 분비와 신경 전달 물질이라고 알려진 화학물질을 인식하여 서로 소통하며 연결되어 있습니다.

세포 수준의 배선도는 약 10조 개 정도인 뉴런이 만들어내는 모든 연결을 묘사하고 있습니다. 각 뉴런은 약(최소한) 1,000개의 다른 뉴런과 연결되어 있습니다.

조직이나 구조적 수준의 배선도는 뇌의 각 영역을 연결하는 신경 다발의 크기와 세기를 나타냅니다.

Diffusion Spectrum Image from the Human Connectome Project
Image courtesy of the Human Connectome Project

현재 각 세포의 연결을 확인하는 가장 좋은 방법은 모든 뇌 조직을 고정하고, 수 마이크로 두께로 얇게 썬 후, 전자 현미경으로 각 단면을 이미지로 만들어 각 뉴런의 경로를 추적하는 것입니다. 더 큰 단위인 구조적인 연결을 보기 위한 가장 좋은 방법은 확산 자기 공명 단층 촬영법을 사용하는 것입니다. 확산 자기 공명 단층 촬영법은 자기장을 사용하여 신경 섬유와 신경계 안에 흐르는 물의 경로를 이미지로 만들어 신경 섬유의 경로 그 자체를 확인할 수 있습니다.

이 연결들은 마구잡이로 존재하지 않습니다. 연결은 태아의 발달 시기와 사람이 살아가는 동안 만들어지고, 강화되고, 약해지고, 가지치기로 제거됩니다. 사람이 발달하고 많은 것을 경험하면서 기억을 저장하고, 반응을 조절하고, 움직임을 계산하고, 생각하기 위하여 연결은 지속해서 변합니다.

뇌는 자신의 커넥톰을 대표한다고 볼 수 있지만, 사실 그 이상입니다.

만약 뇌를 지하철 시스템, 뉴런을 역, 세포 사이의 연결을 역 사이의 선로라고 생각하면, 커넥톰은 전체 지하철을 보여주는 노선도와 같습니다.

tokyo subway system커넥톰은 구조적인 지도입니다. 해부학을 묘사할 수도 있지만, 커넥톰으로 바로 기능을 설명할 수는 없습니다. 지하철 노선도가 두 장소를 연결하는 경로를 보여줄 수는 있지만, 언제 열차가 출발하는지, 어떤 사람들이 주로 노선을 이용하는지 혹은 열차들이 어떤 목적으로 도시를 누비고 다니는지는 알 수 없습니다.

연구자들에게 커넥톰은 그래프로 구현되는데, 노드(node)들 사이의 연결(connections, 또는 edges)을 모아 놓은 그래프입니다. 커넥톰은 뇌의 생물학적 미세 구조의 관념이면서 또한 뇌에 저장된 정보를 나타내는 데이터 구조이기도 합니다.그래프로써 커넥톰은 인접 행렬이나 인접 목록과 같이 주로 컴퓨터 과학자들이 사용하는 데이터 구조에 해당하기도 합니다. 각각의 데이터 구조들은 두 뉴런 사이의 연결 강도와 존재에 수치를 부여합니다. 이론적으로 뇌가 저장할 수 있는 부호화된 정보들의 총량은 수많은 숫자의 조합으로 기록할 수 있습니다.

여전히 정보가 부호화(encoding), 처리(processing), 추출(retrieval)되는 메커니즘은 여전히 불분명합니다. 따라서 뇌가 어떤 형태로 정보를 저장하는지 말하는 것은 어려운 일입니다. 정보는 이산적으로(discretely) 저장되거나 분산될까요?? 뉴런들 사이를 여행하고 있는 기존의 신호들에 실려 그냥 흘러다니고 있을까요, 아니면 통제받고 있을까요? 커넥톰이 데이터 구조이긴 하지만 현재 우리가 해석하거나 접근할 수 있는 것은 아닙니다.

커넥토믹스는 뇌 기능을 완전히 이해하기 위한 미래 기술입니다.

사람의 과거 경험, 유전자 구성, 뇌의 발달 과정이 모두 다르므로 완전히 같은 두 개의 커넥톰은 존재할 수 없습니다. 그런데도, 큰 규모에선 사람들 사이에 공통점이 있습니다. 대부분 인간의 뇌에는 층처럼 정형화된 뉴런들의 배치를 가지는 비슷한 구조가 비슷한 위치에 존재하고 있습니다.

Something we want to know about the connectome is not only how they differ between humans, but also how they don’t. Something else we want to know about the connectome is which differences capture variation in thought, personality, and memory – and which capture variation in mental health and disease.

우리가 커넥톰을 통해서 알고 싶은 것은 사람들의 커넥톰이 얼마나 다른지, 또 얼마나 같은지 입니다. 특히 우리가 커넥톰을 통해 알고 싶은 것은 무엇이 다른 생각, 성격, 기억, 정신 건강, 정신 질환에서 차이(variation)를 만들어 내는지 입니다.

일부 신경 과학자들은 자세한 뇌 사진으로부터 얻을 수 있는 통찰에 대해 큰 기대를 하고 있습니다. 그들은 뇌 회로의 회로, 영역 심지어는 뇌 전체를 컴퓨터로 시뮬레이션할 수 있게 되기를 바라고 있습니다. 생물학자들이 아직 밝혀내지 못한 학습, 감정, 의식, 기억 그리고 인지 같은 뇌 현상들의 물리적 기질을 커넥톰을 통해 밝혀낼 수 있을 것으로 희망합니다.

다른 신경 과학자들은 좀 더 회의적입니다. 그들은 우리가 이미 아직 연구되지 않은 충분히 많은 신경 과학 데이터가 있다는 점을 지적합니다. 다루기 힘든 프로젝트에 희망을 걸 필요 없이 이미 우리가 가지고 있는 데이터를 이용하여 많은 것을 할 수 있다는 그들의 주장입니다. 또한, 그들은 우리가 끝내 커넥톰을 완성하게 되더라도 새롭거나 복잡한 현상들은 여전히 설명할 수 없을 것이라고 말합니다.

이런 의구심에도 불구하고, 커넥톰의 완성이 신경 과학에 아무런 영향도 주지 않을 것으로 생각하는 사람은 거의 없습니다.

Quora에서 더 읽어보세요.

(@scoobi님, 감사합니다.)

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