지난달 구글이 공개한 인간 뇌 조직 분석 결과는 그야말로 그대로 입이 다물어지지 않을 정도인데요. 쌀알 반쪽도 안 되는 1㎣ 크기의 뇌 조직 안에 1억 5천만 개의 시냅스가 얽혀 있고, 이를 디지털로 저장하는 데만 1.4 페타바이트라는 어마어마한 용량이 필요하다니요. 제가 평소 사용하는 노트북 저장 공간이 512기가 바이트인데, 그것의 약 2,700배에 달하는 양입니다. 10년간의 신경과학 연구 끝에 나온 이 성과는 단순히 뇌의 구조를 들여다본 것이 아니라, 인간이 자기 자신을 이해하는 방식 자체를 바꿔놓을 발견이었습니다.
쌀알보다 작은 조직에 숨겨진 우주
구글 리서치 커넥톰 팀이 하버드대학교 제프 리히트만 교수 연구실과 함께 10년에 걸쳐 완성한 이 뇌 지도는 정말 경이로운 수준의 정밀도를 자랑합니다. 연구진은 뇌전증 치료를 위해 수술 중 제거된 좌측 측두엽 조직 1㎣를 5,000개가 넘는 얇은 절편으로 나눈 뒤, 각각을 30나노미터 단위로 촬영했습니다. 여기서 나노미터(nm)란 10억분의 1미터를 뜻하는 단위로, 머리카락 굵기의 약 3,000분의 1 수준입니다. 이렇게 미세한 수준에서 조직을 관찰해야만 개별 시냅스의 연결까지 정확히 파악할 수 있었던 것이죠.
촬영만 326일이 걸렸고, 이후 구글이 개발한 머신러닝 알고리즘이 이미지를 이어붙이고 각 세포를 3차원으로 재구성했습니다. 최종 결과물에는 약 57,000개의 세포가 담겼는데, 그중 신경세포인 뉴런(neuron)이 16,000개, 신경을 지지하는 교세포(glia)가 32,000개, 혈관 세포가 8,000개였습니다. 저는 이 숫자를 처음 봤을 때 솔직히 실감이 나지 않았습니다. 우리가 무심코 떠올리는 기억 하나, 감정 한 조각이 사실은 이렇게 복잡하고 정교한 네트워크의 산물이라는 사실이 너무나 신기했거든요.
특히 뇌 조직 분석에 사용된 '커넥톰(connectome)' 기술이 핵심이었습니다. 커넥톰이란 뇌 속 모든 신경세포의 연결 지도를 의미하는 용어로, 인간 유전체 지도를 뜻하는 '게놈(genome)'에서 영감을 받아 만들어진 단어입니다. 1986년 선충류의 302개 뉴런을 손으로 하나하나 색칠하며 만든 첫 커넥톰 이후, 이제 AI의 도움으로 수만 개 뉴런의 연결을 자동으로 추적할 수 있게 된 것이죠.
과학자들도 놀란 세 가지 신기한 발견
이번 연구에서 가장 흥미로웠던 건 기존 신경과학 교과서에도 없던 새로운 구조들이 발견되었다는 점입니다. 가장 눈길이 갔던 세 가지를 정리하면 다음과 같습니다.
- 초강력 시냅스 연결: 일반적으로 두 뉴런은 1개의 시냅스로 연결되는데, 극소수의 뉴런 쌍은 무려 50개가 넘는 시냅스로 서로 연결되어 있었습니다. 전체의 0.092%에 불과한 이 강력한 연결이 무엇을 의미하는지는 아직 밝혀지지 않았지만, 아마도 매우 중요한 기억이나 빠른 신경 반응을 담당할 가능성이 있습니다.
- 거울상 대칭 뉴런: 대뇌피질의 가장 깊은 층에서 발견된 삼각형 모양의 뉴런들이 서로 거울상을 이루며 정렬되어 있었습니다. 77%의 뉴런이 한쪽으로 기울거나 반대쪽으로 기운 두 그룹으로 나뉘었고, 같은 방향으로 기운 뉴런끼리 옆에 모여 있는 경향이 통계적으로 유의미하게 나타났습니다.
- 축삭 소용돌이: 신경세포에서 신호를 전달하는 긴 돌기인 축삭(axon)이 복잡한 매듭 모양으로 스스로를 감싸고 있는 구조가 발견되었습니다. 때로는 다른 세포 표면에 붙어 있기도 했는데, 이것이 무슨 기능을 하는지는 아직 아무도 모릅니다.
저는 개인적으로 이 '축삭 소용돌이' 이미지를 봤을 때 마치 우주에 떠 있는 은하수를 보는 듯한 느낌을 받았습니다. 우리 뇌 속에 이렇게 아름답고 신비로운 구조가 숨어 있다는 사실 자체가 경외감을 불러일으켰거든요. 다만 이 조직이 뇌전증 환자의 것이라는 점에서, 이런 특이한 구조가 질병이나 약물의 영향인지 정상적인 뇌의 특성인지는 더 많은 샘플을 분석해봐야 알 수 있을 것입니다.
오픈 소스로 여는 뇌 과학의 미래
구글이 이번에 보여준 진정한 혁신은 단순히 뇌 지도를 만든 것이 아니라, 이 방대한 데이터를 전 세계 연구자들과 공유했다는 점입니다. 연구진은 '뉴로글랜서(Neuroglancer)'라는 웹 기반 플랫폼을 통해 누구나 브라우저에서 이 데이터를 탐색할 수 있게 했고, 'CAVE'라는 도구로 연구자들이 직접 데이터를 수정하고 주석을 달 수 있도록 했습니다. 프리프린트 논문이 공개된 이후 이미 3만 회 이상 다운로드되었고, 200편이 넘는 논문에서 인용되었다고 합니다.
이런 오픈 소스 접근은 과학 발전 속도를 기하급수적으로 높이고 있는데요. 실제로 2020년 초파리 뇌 커넥톰이 공개된 후 수백 편의 후속 연구가 나왔고, 학습·기억·행동에 대한 새로운 발견들이 쏟아졌습니다. 인간 뇌 데이터도 마찬가지로 전 세계 신경과학자들의 집단 지성이 모이면, 우리가 예상하지 못한 패턴과 법칙들이 속속 드러날 것입니다.
구글 팀은 앞으로 생쥐의 해마를 대상으로 한 더 큰 규모의 커넥톰 작업을 진행 중이며, 알츠하이머병 같은 신경 질환과 관련된 조직 연구도 시작했습니다. 또한 전자현미경 대신 광학현미경을 사용하는 새로운 방식도 제안했는데, 이것이 성공하면 이미지 수집 시간과 비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대됩니다. 신경과학 분야에서 사용되는 '시냅스 해상도(synaptic resolution)'란 개별 시냅스를 하나하나 구별할 수 있는 수준의 정밀도를 의미하는데, 현재는 이 수준의 관찰을 위해서는 전자현미경이 필수였습니다.
이 연구를 보며 10년 후 우리가 보게 될 세상이 정말 궁금해졌습니다. 만약 전체 인간 뇌의 커넥톰이 완성된다면 우리는 '의식'이라는 마지막 미지의 영역에 대한 답을 얻을 수 있을까요? 단순히 질병 치료를 넘어, "인간은 무엇인가?"라는 근원적인 질문에 데이터와 AI가 답을 내놓기 시작한 것만큼은 분명해 보입니다. 이 작은 쌀알 크기 조직이 앞으로 수십 년간 신경과학의 기준점이 될 것이라는 데는 의심의 여지가 없습니다.
---
참고: https://research.google/blog/ten-years-of-neuroscience-at-google-yields-maps-of-human-brain/?utm_source=ai.google&utm_medium=referral