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제목 신경생물학의 큰 성과: 고해상도의 초파리 뇌 전체 지도 작성 등록일 2018.07.20 10:21
글쓴이 송지환 조회 369
[바이오토픽] 신경생물학의 큰 성과: 고해상도의 초파리 뇌 전체 지도 작성
생명과학 양병찬 (2018-07-20 09:19)
연구자들은 이번 연구가 '뇌가 행동에 영향을 미치는 메커니즘'을 이해하는 데 도움을 줄 것으로 기대하고 있다.

과학자들은 사상 최초로 초파리(Drosophila melanogaster)의 뇌 전체를 - 모든 뉴런 간의 이음부(시냅스)를 탐지할 수 있을 정도로 - 세밀하게 영상화하는 데 성공했다. 그 결과 생성된 영상의 데이터베이스는 모든 초파리 행동(예: 냄새 맡기, 윙윙거리기, 공중기동작전)의 밑바탕에 깔린 신경회로를 매핑하는 데 도움이 될 것으로 보인다.

"이 데이터세트(그리고 그것이 창출하는 기회)는 최근 신경생물학에서 달성된 성과 중 가장 중요한 것 중 하나임에 틀림없다"라고 하버드 대학교의 레이첼 윌슨(신경생물학)은 논평했다. "전 세계에서 관심 있는 사람들은 누구나 데이터세트를 다운로드받아, 특정 뉴런들이 서로 대화하는지 여부를 확인할 수 있다."

"인간의 두개골 속에 들어있는 1조 개의 뉴런에 비하면, 초파리의 뇌에 있는 10만 개의 뉴런은 그야말로 초보 수준이라고 할 수 있다. 그러나 초파리는 '식탁 위에 놓인 와인 잔에서 쫓아내는 작은 반점' 모양의 물체보다 훨씬 가치 있는 존재다"라고 하워드 휴즈 연구소 자넬리아 연구캠퍼스(참고 1

시냅스란 두 개의 뉴런이 신호를 주고받는 이음부를 말한다. 복이 이끄는 연구진은 개별 시냅스의 특징을 파악하기 위해, (전통적인 광학현미경보다 훨씬 더 뛰어한 해상도를 자랑하는) 전자현미경을 사용했다. 그들은 초파리 한 마리의 뇌를 '중금속이 포함된 용액'에 담갔다. 그러자 중금속들은 시냅스를 구성하는 뉴런의 막(膜)과 단백질에 결합하여, 뇌 전체를 마치 '국수가락 뭉치'처럼 보이게 만들었다. (모든 가닥들의 외부는 까만색 내부는 흰색이었다.) 그런 다음, 다이아몬드 나이프로 뇌를 잘게 썰어 약 7,000개의 절편으로 만들었고, 각각의 절편들은 현미경에서 발사된 전자빔과 충돌하여 하나의 이미지를 형성했다.

연구진은 이 과정에서 고성능 카메라와 소프트웨어를 사용했다. 카메라는 초당 100프레임의 속도를 가진 로봇시스템으로, 이것이 각각의 뇌절편을 촬영하여 나노미터 수준의 정밀성을 가진 장치로 전송하면, 그 곳에 탑재된 소프트웨어가 2,100만 개의 화상들을 봉합하여 영상으로 만들었다. 이런 식으로 재구성된 뇌는, 연구자들로 하여금 개별 시냅스 하나하나를 클로즈업함으로써 그 특징을 세밀히 파악할 수 있게 해줬다.

"기술적 성과라는 관점에서 볼 때, 이번 논문은 역작(a tour de force)이라고 불러도 전혀 손색이 없다"라고 록펠러 대학교의 코넬리아 바그먼(신경생물학)은 말했다. 그녀는 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 신경계를 연구하는데, 1986년 302개의 뉴런으로 구성된 예쁜꼬마선충의 배선망 다이어그램(wiring diagram), 즉 커넥톰(connectome)을 발표한 바 있다. 그것과 비슷한 초파리 뇌의 다이어그램을 만들려면, 연구자들은 이번에 생성된 새로운 영상들을 이용하여 각각의 뉴런과 (뇌 전체와 대화하기 위해 연결된) 다른 뉴런들을 모두 추적해야 한다.

복이 이끄는 연구진은 지금까지, 냄새의 학습 및 기억에 관여하는 부분 - 버섯체(mushroom body)에 존재하는 뉴런의 소집단에 대해서만 커넥톰 작업을 완료했다. 7월 10일 《Cell》에 발표된 초기 프로젝트 결과는(참고 2

복잡하고 가변적인 신경계 연구에는 끝이 없다. 만약 전 세계의 연구팀들이 초파리 뇌의 완벽한 커넥톰을 어렵사리 만들어낼 수 있다면, 다음 과제는 그 정보를 다른 기술(살아있는 초파리의 뇌활성을 기록하는 기술)과 결합하는 것이다. "뉴런 간의 연결성의 힘은 맥락과 시간경과에 따라 달라진다. 나는 30년 동안 한 생물의 커넥톰을 연구해 왔지만, 아직도 그 신경계의 작동 메커니즘을 연구하고 있다"라고 바그먼은 말했다.

그러나 이번 논문에 기술된 기술력은, 한 생물의 커넥톰을 매핑하는 것이 곧 가능하게 될 것임을 시사한다. 이는 인간의 커넥톰을 향한 여정에서 한걸음 내디뎠음을 의미한다. "초파리가 가능하다면, 그와 복잡성이 비슷한 제브라피시도 못할 게 없다. 나는 조만간 척추동물도 사정권 내에 들어올 거라고 본다"라고 바그먼은 말했다.

【동영상】 초파리 뇌 전체의 나노스케일 해상도 영상

초파리의 뇌는 양귀비 씨만 하다. 그러나 그 속에는 자그마치 10만 개의 뉴런이 들어있다.

뉴런은 가지를 뻗어 서로 대화하며, 의사소통 회로를 형성한다. 과학자들은 뉴런간 의사소통 회로의 지도를 작성하려고 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 그 지도는 동물(인간 포함)의 행동을 이해하는 데 단서를 제공하게 될 것이다.

그러나 회로 지도를 작성하려면 복잡한 뇌의 영상화가 필요하다. 얇은 조직절편에서부터 개별뉴런, 그리고 뉴런 간의 어슴푸레한 연결성까지... 이제 과학자들은 초고속 전자현미경을 이용하여, 초파리 성충의 뇌 전체에 대한 나노 수준의 스냅샷을 최초로 완성했다.

하워드 휴즈 연구소 자넬리아 연구캠퍼스의 과학자들은 이를 위해 7,000여 개의 뇌 절편을 영상화했다. 그런 다음 7,000개의 절편에서 2,100만 개의 사진을 캡처한 후 봉합하여, 뇌 전체를 재구성했다. 이제 과학자들은 하나의 뉴런이 뇌 전체의 다른 뉴런들과 연결되는 경로를 추적할 수 있게 되었다.

그들의 연구는 이미 놀라움을 자아내고 있다. 신경과학자 데이비 복이 이끄는 연구팀은 뇌의 기억중추에서, 뇌 전체를 포괄하는 새로운 뉴런 하나를 발견했다.

새로 작성된 데이터세트는, 초파리의 마음을 연구하는 과학자들이라면 누구나 무료로 사용할 수 있는 도구이다. 현재 20여 개의 연구팀들이 뉴런을 파헤치고 추적하며, 뉴런 간의 연결성에 대한 개요를 작성하고 있다. 그들이 발견하는 것은 뇌회로와 행동 간의 관련성을 드러내게 될 것이다. 초파리의 뇌 전체가 수록된 데이터세트는 http://temca2data.org


※ 참고문헌
1. https://www.hhmi.org/news/complete-fly-brain-imaged-at-nanoscale-resolution
2. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)30787-6

※ 출처: Science http://www.sciencemag.org/news/2018/07/tour-de-force-researchers-image-entire-fly-brain-minute-detail

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