과학의 뒷면: 커넥토믹스(Connectomics) 입문

 

 

2014년 8월 8일의 신경과학 관련 영어 블로그 Behind the Science: an Introduction to Connectomics를 한국인 플레이어 @brainlover님이 번역하고, Kyung Lim이 블로그 포스팅 전 교정 작업을 하였습니다.

우리가 절대 변하지 않는다고 생각하는 것들이 실제로는 끊임없이 지속해서 움직이고 있다는 것을 과학자들은 항상 발견하고 있습니다. 한 세기 전까지만 해도 지구 그 자체는 변하지 않는다고 생각되었습니다. 커넥톰도 마찬가지인데, 신경 과학자들은 한 사람의 뉴런 간 연결이 시간에 따라 변화함을 발견하였습니다.

강을 보는 것만으로도 강바닥이 어딘지를 알 수 있는 것과 같은 원리로, 신경과학자들은 뉴런들이 어떻게 함께 발화하는가를 토대로 뉴런 간 연결이 어디에 위치하는지를 알 수 있습니다. 강을 보는 것만으로 관찰할 수 없는 현상 중에 하나는 강이 어떻게 강바닥을 변화시키는가입니다. 시간이 흐름에 따라, 물의 흐름은 강바닥의 모양을 바꿀 것이고 이는 결국 강의 경로를 바꿀 것입니다. 강이 자신의 경로를 결정하는 강바닥의 모양을 형성하는 것처럼, 신경 활동은 뇌 속 연결성을 형성하여 당신의 커넥톰을 재정립하게 됩니다.

 

커넥톰이란 동물의 모든 뉴런에 대한 신경 배선도입니다. 당신의 커넥톰은 몸속의 모든 뉴런과 그들 사이의 연결로 구성됩니다. 커넥톰은 일반적으로 뇌에 집중되어 보이도록 간소화됩니다.

 

변화하는 당신의 커넥톰에 대한 4가지 R

 

가중치 재조정(Reweighting)

시냅스의 크기는 강도를 나타내는 지표입니다. 시냅스는 사용 여부에 따라 커지기도 하고 작아지기도 합니다. 시냅스가 더 빈번하게 사용될수록 커지게 됩니다. 대신에 만약 시냅스가 오랫동안 사용되지 않는다면, 크기가 줄어들고 결국 사라지게 됩니다. 이러한 시냅스의 크기 성장 또는 축소 과정은 가중치(뉴런 사이의 연결 강도)의 재조정(Reweighting)으로 알려졌습니다.

신경 과학자들은 헵의 원칙(Hebb’s Rule: 두 뉴런이 동시에 활성화될 경우 그들 사이의 시냅스들이 강화)을 이용해 시냅스 가중치 재조정 모델링을 시도하고 있습니다. 이 원칙은 한 세포의 발화가 시간이 지남에 따라 다른 세포에 어떻게 영향을 미칠 것인지를 보여주며, 이를 토대로 발전함에 따라 시냅스들의 모델은 진짜 시냅스들의 모습에 점점 더 근접해 갈 것입니다.

재연결(Reconnection)

뉴런들은 필요한 특정 위치들에 시냅스를 형성하기보다는 아무런 규칙 없이 무작위로 형성합니다. 시냅스의 가중치가 재조정됨에 따라 축소된 시냅스는 제거되고 다른 시냅스들은 보존될 것입니다. 신경 다윈주의(Neural Darwinism)라고 불리는 이 과정은 단기기억에서 장기기억으로 기억을 옮기는 데에 중요한 역할을 한다고 생각됩니다.

재설계(Rewiring)

신경과학의 주요 이론 중 하나는 뇌의 여러 지역 사이의 조정된 기능적, 유전적, 그리고 연결적 관계들에 의해 뇌의 기능이 만들어진다는 것입니다. 다양한 연결을 찾기 위해, 신경 과학자들은 뇌 속의 축삭들을 맵핑합니다. 뇌의 설계는 뇌의 기능을 정의하는 데 중요한 역할을 하므로 손상된 뇌에서 기능을 회복하기 위해서는 뉴런들이 재설계 될 것이라 여겨집니다.

재생(Regeneration)

뇌에서 후각 신경구와 해마는 새로운 뉴런들이 형성되는 유일한 두 지역입니다. 왜 두 지역에서만 새로운 뉴런이 생성되는지 그 이유는 불분명하지만, 오래된 기억을 계속 보관하기 위해서는 뇌의 안정성이 요구된다는 이론들이 있습니다. 과학자들은 다른 뇌 지역들을 위한 뉴런 재생 과정을 묘사해 뇌 손상의 치료에 도움을 줄 수 있기를 기대하고 있습니다.

나는 나의 커넥톰이다(I am my connectome).

페이지 윗부분에 있는 그림은 “The C.elegans Connectome”입니다. 이름을 ‘the’ 커넥톰으로 부름으로써 모든 예쁜꼬마선충(C.elegans)이 같은 커넥톰을 갖거나 커넥톰 쌍둥이들이란 의미가 함축되어 있습니다. 하지만 완벽하게 맵핑된 2개의 예쁜꼬마선충 커넥톰은 없으나, 연구자들은 회충의 꼬리 끝 부분의 연결들을 비교함으로써 커넥톰이 개인에 따라 차이가 있음을 발견하였습니다. 따라서, “A C.elegans Connectome(하나의 예쁜꼬마선충 커넥톰)”으로 불리는 것이 더 정확한 이름이 될 것입니다.

예쁜꼬마선충(C.elegans)의 커넥톰은 알려져 있지만, 예쁜꼬마선충의 행동에 대한 정확한 시뮬레이션은 이루어지지 않은 상태입니다. 예쁜꼬마선충은 다양한 그룹의 뉴런들을 가지고 있고, 이들의 기능 중 많은 부분은 아직 알지 못합니다. 각 종류의 뉴런이 자신의 기능에 대한 모델을 필요로 하고 예쁜꼬마선충에서 뉴런 종류의 수가 뉴런 수와 비슷하기 때문에, 뉴런들의 모델에 있는 정보가 커넥톰 속 정보를 넘어설 수도 있습니다. 예쁜꼬마선충의 커넥톰 속 정보가 특정하게 균형이 잡혀 있다는 점을 통해 과학자들은 어떤 결론을 내릴 수 있었는데, 이는 행동에 대한 시뮬레이션에 이용되기 위해서는 커넥톰이 뉴런들에 대한 더 많은 정보와 합쳐질 필요가 있다는 결론이었습니다.

 

회충의 커넥톰이 행동을 묘사하기에는 아직 불충분하긴 하지만, 인간의 커넥톰이 인간의 행동을 이해하는 데 유용하게 쓰일 것이라고 과학자들은 믿고 있습니다. 인간은 뉴런 종류보다 많은 수의 뉴런을 갖고 있어서 뇌 속 연결성은 뉴런 종류들 그 자체보다는 행동에 연관된 역할이 더 클 것입니다. 세바스찬 승 교수는 이러한 이론에서 논리적으로 나아가 우리의 자아 정체성과 의식이 우리의 커넥톰으로부터 온다는 것을 “나는 나의 커넥톰이다.”라고 주장하고 있습니다.

뇌를 이해하기 위한 커넥톰의 이용

사람들의 커넥톰들 사이의 차이점을 연구함으로써, 신경과학자들은 특정 연결 장애(connectopathies), 즉 신경 연결성 이상이 어떻게 정신 장애의 원인이 되는지를 보여줄 수 있기를 희망합니다. 연결 장애(connectopathies)는 PTSD(외상 후 스트레스 장애, post-traumatic stress disorder), 정신 분열증이나 자폐증 등의 정신 장애를 진단하고 치료하는 데에 도움이 될 수 있습니다.

그리고 학습과 문제 해결 능력 등 인간의 인지력에 대한 더 나은 이해 또한 언젠가는 가능하게 될 것입니다.

커넥토믹스와 아이와이어

아이와이어는 커넥톰을 찾는 도구의 발전을 돕고 있는 동시에 시각에 대한 우리의 이해력을 높이기 위해 쥐의 망막을 맵핑하고 있습니다.

아이와이어는 커넥톰 연구와 관련된 첫 게임이기 때문에, 여기서 사용되는 인공지능(AI)과 같은 도구들은 미래의 커넥토믹스 프로젝트의 형성과 성공에 길을 만들고 있다고 볼 수 있습니다. 신경 이미지 데이터 분석을 반자동으로 가능하게 하는 AI가 언젠가 커넥톰을 맵핑하는 데 있어서 인간의 능력을 능가해 커넥톰을 찾는 과정을 가속하기를 신경과학자들은 바라고 있습니다.

아이와이어에서 맵핑된 세포들은 망막에서 일어나는 시각정보 처리 과정에 대한 우리의 이해도를 높이는 데에도 쓰이고 있습니다.

2015년 5월 승 연구팀과 아이와이어러들이 쓴 기사가 네이처(Nature) 저널에 “Space-time wiring specificity supports directional selectivity in the retina.”란 제목으로 발표되었습니다. 오랫동안 풀리지 않았던 미스테리인 포유동물이 자신이 보고 있는 물체가 어떤 방향(in which direction)으로 움직이는지 어떻게(how) 인식할 수 있는지에 대한 해결책을 찾는데 아이와이어 플레이어들은 도움을 주었습니다.

 

커넥토믹스에 대한 세바스찬 승 교수의 TED 강연은 여기서 보실 수 있습니다!

(번역해주신 @brainlover님, 감사합니다.)