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[표지로 읽는 과학] 한층 더 상세하게 재현한 뇌 신경세포들

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[표지로 읽는 과학] 한층 더 상세하게 재현한 뇌 신경세포들

2019.12.01 10:30
사이언스 제공
사이언스 제공

국제학술지 ‘사이언스’는 29일 생쥐 뇌의 신경세포를 표지로 실었다. 신경세포들이 아주 빽빽하게 서로 엉켜있는 것을 볼 수 있다. 마치 땅 속에 파묻혀 있는 나무의 뿌리 같기도 하다. 신경세포는 신경계를 이루는 기본적 단위 세포로 뉴런이라고 불리기도 한다. 온몸의 기관들과 뇌를 연결하며 뇌에서는 약 1000억개에 달하는 신경세포들이 복잡한 네트워크를 이루고 있다. 이런 복잡한 네트워크 때문에 신경세포 연결성을 보여주는 모형을 만드는 것은 어렵다. 1000억개에 달하는 신경세포 중 1억개보다 적은 양을 보여주는 모형이 있을 뿐이다. 


모리츠 헬름스태드터 독일 막스플랑크뇌과학연구소 소장 연구팀은 3D 전자현미경과 인공지능(AI) 기반 이미지 분석을 사용해 신경세포의 이미지를 더 높은 공간 해상도로 재구성하는데 성공했다는 연구결과를 사이언스에 발표했다. 표지 속 회색 부분은 연구팀이 신경세포를 재구성한 것을, 검은 부분은 그 전의 모습을 표현했다.


3차원 전자 현미경의 발달로 상당한 양의 신경세포를 모형화하는 게 가능해졌지만 상세한 모습을 묘사하기엔 아직 제한적인 단계다. 연구팀은 여기에 AI 기반 이미지 분석을 도입했다. 하지만 이마저도 조밀한 신경세포를 나타내기엔 과학적 오류가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 3차원 전자 현미경으로 관찰한 생쥐의 대뇌피질 모습을 연구팀 연구원들이 직접 수정에 나섰다. 오류의 가능성이 있는 위치에 대한 분석 및 작업을 약 4000시간 정도 투자했다.


그 결과 연구팀은 50만 세제곱마이크로미터(㎛3·100만분의 1m)의 부피로 신경세포를 재구성하는데 성공했다. 이는 이전에 존재하던 모형보다 300배 이상 더 큰 부피로 공간 해상도가 높아졌음을 뜻한다. 공간해상도가 높을수록 신경세포간 구분이 쉬워 공간에 대한 세밀한 분석 및 정확도를 높일 수 있다. 연구팀은 재구성 모형을 가지고 이전에는 예측할 수 없었던 억제 및 흥분성 신경세포 연결성에 관한 정보를 밝혀냈다.


헬름스태드터 소장은 “쥐와 같은 포유류의 대뇌피질은 매우 조밀하게 채워진 엄청나게 복잡한 신경 과정 네트워크”라며 “수천 개의 축색 돌기와 수상 돌기 사이의 연결성을 측정해 뇌 회로의 형성 패턴과 신경세포 네트워크에 대한 통찰력을 얻었다”고 말했다.
 

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