인도 과학자들이 뇌의 마지막 미개척지를 지도화하는 방법

Universal Images Group via Getty Images The human brain map. Today we know that different areas of the brain have different roles . Your senses for example each have their own areas. 2014 (Photo by: Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images)

한 세기 넘게 신경과학자들은 초기 지도 제작자들이 미지의 땅을 지도화했던 것과 매우 유사한 방식으로 인간의 뇌를 연구해 왔습니다. 즉, 흩어진 관찰 결과들을 모아 방대한 풍경을 조각조각 맞춰온 것입니다.

오늘날에도 알츠하이머 (Alzheimer's disease)와 같은 질환을 진단하는 병리학자들은 보통 약 860억 개의 뉴런 (neurons)을 포함하고 있는 장기에서 단 몇 개의 조직 샘플만을 검사합니다. 풍경의 상당 부분은 여전히 보이지 않는 상태로 남아 있습니다.

이것이 바로 인도 공과대학교 마드라스 (Indian Institute of Technology, Madras, IIT-M)의 수다 고팔라크리슈난 뇌 센터 (Sudha Gopalakrishnan Brain Centre, SGBC) 과학자들이 신경과학의 가장 큰 공백 중 하나를 메우기 위한 중요한 발걸음을 내디뎠다고 믿는 이유입니다.

그들은 세포 해상도 (cellular resolution) 수준에서 세계에서 가장 상세한 인간 뇌간 (brainstem)의 3차원 아틀라스 (3D atlas)라고 설명하는 것을 제작했습니다. 이는 과학자들이 전체 뇌의 MRI 스캔에서 개별 신경 세포 (nerve cells)로 끊김 없이 이동할 수 있게 해주는 디지털 지도입니다.

Anchor (Atlas of Neurochemical Characterisation of the Human Brainstem with 3D Reconstruction)라고 불리는 이 아틀라스는 태아, 아동 및 성인 뇌에서 추출한 500개 이상의 조직 절편을 결합합니다.

비용이 많이 드는 분자 기술 (molecular techniques) 대신 고해상도 현미경 이미지로 구축된 이 지도는 뇌간의 상세한 3차원 지도를 생성하며, 200개 이상의 뇌 세포 군집과 신경 경로를 식별합니다.

8가지 화학적 마커 (chemical markers)가 서로 다른 세포 유형을 구분하는 데 도움을 주어, 이 중요하지만 잘 알려지지 않은 뇌 부위에 대해 지금까지 중 가장 선명한 그림 중 하나를 만들어냅니다.

뇌간은 뇌의 아주 작은 부분만을 차지하지만, 사람을 생존하게 유지합니다. 뇌간은 뇌와 척수 (spinal cord)를 연결하며 호흡, 심장 박동, 수면, 깨어 있음 및 움직임을 조절합니다.

그 내부의 아주 작은 세포 군집에 가해지는 손상은 재앙적인 결과를 초래할 수 있지만, 이 영역의 밀집된 구조는 오랫동안 상세한 지도 제작 노력을 좌절시켜 왔습니다.

SGBC Brainstem sections on a map

Anchor의 중요성은 단순히 또 다른 해부학적 지도를 제작하는 데 있는 것이 아니라, 오랫동안 분리되어 있었던 두 세계, 즉 뇌 전체를 보여주는 의료 영상 (Medical imaging)과 한 번에 세포 하나씩을 밝혀내는 세포 병리학 (Cellular pathology)을 연결하는 데 있습니다.

"우리는 인도를 국제적인 무대에 올려놓는 선구적인 프로그램을 보고 있습니다." Tata Institute of Fundamental Research의 인도 신경과학자(Neuroscientist)인 Shubha Tole는 이 프로젝트를 공학, 신경과학 (Neuroscience), 그리고 의학의 "전례 없는 통합"이라고 설명하며 말했습니다.

의사들은 일반적으로 부검 시 또는 신경외과 수술 중에 제거된 조직을 통해 뇌 전체를 조사하는 것으로 시작합니다. 성인의 뇌 무게는 약 1.2~1.5kg이며, 현미경 검사가 시작되기 전에 뇌의 주름과 주요 구조를 통해 중요한 단서를 발견할 수 있습니다.

"신경병리학자 (Neuropathologist)로서, 저는 현미경으로 작은 조각들을 보기 전에 육안으로 뇌 전체를 검사하는 것부터 시작합니다." Harvard Medical School 및 New York University 소속이자 SGBC 팀과 협력한 Rebecca Folkerth는 말했습니다.

"알츠하이머병 (Alzheimer's disease)의 경우, 우리는 전체 장기의 불과 1% 미만인 15~20개의 절편 (Sections)만을 검사할 수도 있습니다."

이는 1세기 전 스페인 신경과학자 Santiago Ramón y Cajal의 선구적인 연구 이후 이어져 온 관행입니다. 현대의 MRI는 뇌 전체를 보여주지만 세포 수준의 세부 정보가 부족하며, 현미경은 개별 세포를 보여주지만 분리된 절편에서만 가능합니다.

"인도 센터가 만들어낸 것은 본질적으로 제가 커리어 초기에 꿈꿨던 것입니다. 뇌 스캔이 뇌의 미세 해부학적 구조 (Microscopic anatomy)와 일치하는 것이죠." 30년 이상 수천 개의 뇌를 검사해 온 Folkerth는 BBC에 이와 같이 말했습니다.

Getty Images A scan of a brain showing early Dementia/Alzheimer's

Anchor는 그 간극을 메우고자 시도합니다.

사용자는 MRI에서 보이는 뇌간 (Brainstem) 전체에서부터 개별 뉴런 (Neurons)에 이르기까지, 정밀한 공간적 관계를 유지하면서 확대할 수 있습니다. 연구진은 이 아틀라스 (Atlas)가 전 세계 신경과학자, 신경과 의사 및 신경외과 의사들에게 참조 도구가 되기를 바라며 온라인에 무료로 공개했습니다.

이것의 응용 분야는 해부학을 훨씬 넘어 확장될 수 있습니다.

건강한 뇌간 (brainstem) 지도와 질병이 있는 조직을 비교함으로써, 과학자들은 파킨슨병 (Parkinson's disease)과 뇌졸중 (stroke)부터 알츠하이머병 (Alzheimer's disease) 및 영아 돌연사 증후군 (SIDS)에 이르는 다양한 장애를 더 잘 이해할 수 있을 것입니다. 더 정밀한 지도는 또한 신경외과 의사들이 뇌의 가장 섬세한 영역 중 하나를 더 큰 확신을 가지고 탐색하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

Anchor는 진단 도구가 아닙니다. 대신, 이것의 가장 큰 가치는 그것이 답하는 데 도움을 줄 수 있는 질문들에 있습니다.

방문 교수 재직 기간 동안 IIT Madras의 인간 뇌 조직학 (human brain histology) 프로그램을 설계하고 설립을 도운, 뉴욕 소재의 명성 있는 Cold Spring Harbor Laboratory의 뇌 과학자 파르타 미트라 (Partha Mitra)는, 이와 같은 상세한 뇌 아틀라스 (brain atlases)가 알츠하이머나 자폐증과 같은 질환의 영향을 받은 뇌가 건강한 뇌와 어떻게 다른지를 세포 단위로 밝혀냄으로써 신경계 질환 연구에 "변혁적인 영향 (transformative impact)"을 미칠 수 있다고 말합니다.

미트라는 또한 이것이 Covid-19를 포함한 감염이 어떻게 장기적인 신경학적 손상을 유발하는지 설명하는 데 도움을 줄 수 있다고 BBC에 전했습니다.

뇌졸중을 예로 들며, 폴커스 (Folkerth)는 이 아틀라스가 손상되었지만 아직 회복 불가능한 상태는 아닌 뇌 조직을 의사들이 보존하는 데 도움을 줄 수 있는 새로운 특징들을 발견했으며, 이는 잠재적으로 환자의 예후를 개선할 수 있다고 말합니다. 다른 과학자들은 이 아틀라스가 신경외과 의사들이 뇌간을 더 안전하게 탐색하는 데에도 도움을 줄 수 있다고 말합니다.

이 아틀라스의 매력 중 일부는 그 단순함에 있습니다. 사후 뇌 조직의 얇은 절편을 고해상도 이미지로 구축한 이 접근 방식은 상세한 세포 수준의 매핑 (mapping)을 경제적으로 가능하게 합니다.

미트라는 바로 그 점이 전례 없는 규모로 인간의 뇌간을 도식화하는 것을 가능하게 했다고 말합니다.

이 성과는 신경과학의 더 광범위한 변화를 반영하며, 여기서의 진보는 생물학만큼이나 공학 및 계산 (computation)에 점점 더 의존하고 있습니다.

약 20명의 과학자들이 SGBC에서 18개월 동안 200개 이상의 뇌 절편을 수동으로 분석하며, MRI 스캔, 미세 해부학 (microscopic anatomy), 그리고 3D 재구성 (3D reconstruction)을 결합하여 하나의 디지털 지도 (digital atlas)를 제작했습니다. 현재 이 센터는 전 세계 협력자들과 함께 일하는 200명 이상의 연구자, 엔지니어 및 기술자들을 보유하고 있습니다.

그 결과는 신경과학의 놀라운 공백을 메우는 데 도움을 줍니다.

SGBC ANCHOR online viewer enabling a seamless transition from gross brain structures in the MRI to features at the cellular level

SGBC를 이끄는 Mohanasankar Sivaprakasam은 BBC와의 인터뷰에서, 과학자들이 여러 동물 종의 뇌를 놀라울 정도로 상세하게 지도화했지만, 인간의 뇌 조직에 대한 상세한 연구가 부족하기 때문에 인간의 뇌는 상대적으로 미개척 상태로 남아 있다고 말했습니다.

그렇다고 해서 과학자들에게 뇌 지도 (brain atlases)가 부족했다는 뜻은 아닙니다. Mitra는 "서로 다른 지도들은 서로 다른 역할을 수행합니다"라고 말합니다.

MRI 기반의 지도들은 뇌의 광범위한 구조를 포착하지만 개별 세포는 포착하지 못합니다. 조직학적 지도 (Histological atlases)는 조직 절편의 현미경 이미지를 사용하여 세포 해상도 (cellular resolution) 수준에서 뇌의 구조를 지도화합니다. 더 최신의 분자적 접근 방식 (molecular approaches)은 한 걸음 더 나아가 각 세포의 정확한 정체성을 식별합니다.

하지만 과학자들은 뇌의 약 20,000개 단백질이 서로 다른 영역과 세포 유형에 걸쳐 어떻게 분포되어 있는지에 대해서는 여전히 놀라울 정도로 거의 알지 못하며, 이는 차세대 뇌 지도 제작을 정의할 가능성이 높은 개척지입니다.

Folkerth는 "모든 뇌는 새로운 지식의 보물 상자입니다"라고 말합니다.

SGBC는 이제 알츠하이머병 (Alzheimer's disease)과 치매 (dementia)를 포함한 다양한 생애 단계 및 신경 질환에 걸쳐 100개 이상의 전체 인간 뇌를 영상화하여, 질병이 세포 단위로 뇌를 어떻게 재구성하는지 밝혀낼 수 있는 참조 라이브러리 (reference library)를 구축할 계획입니다.

이 새로운 지도가 인간 뇌의 미스터리를 모두 해결하지는 못할 것입니다. 하지만 과학자들에게 훨씬 더 상세한 지도를 제공함으로써, 그들이 더 나은 질문을 던지고 궁극적으로 그 질문에 답할 수 있도록 도울 수 있습니다.