수컷 초파리 신경계의 모든 뉴런을 지도화한 과학자들

커넥톰(connectome)은 단순한 뇌 이미지가 아니다. 어떤 뉴런이 어떤 뉴런과 연결되는지를 세포 단위로 기록한 ‘배선도’다. 새로 공개된 성체 수컷 초파리(Drosophila) 자료는 한 개체의 중심뇌, 시엽, 복신경삭을 끊김 없이 포괄한다. 완전 검수를 거친 뉴런은 16만6691개, 주석 처리된 세포 유형은 1만1691개이며, 시냅스 연결은 1억2500만 개에 이른다. 25

핵심은 ‘뇌만’이 아닌 하나의 연결된 중추신경계

앞선 초파리 연구는 전뇌 커넥톰 구축이 가능하다는 점을 보여줬다. 성체 암컷 초파리의 기존 전뇌 커넥톰은 13만9255개 뉴런과 약 5000만 개의 화학 시냅스를 재구성했다. 7

이번 수컷 자료의 차별점은 두 가지다. 우선 뉴런 수가 더 많다. 더 중요한 점은 복신경삭까지 포함했다는 것이다. 복신경삭은 초파리에서 운동 기능을 주로 담당하는 구조로, 포유류의 척수에 견줄 수 있다. 연구진은 뇌와 복신경삭을 잇는 목 연결부도 온전하게 유지했다. 덕분에 감각 정보 처리와 고차 뇌 영역에서 출발해 운동 및 행동에 관련된 경로까지, 하나의 연속 회로로 따라갈 수 있다. 2

방대한 이미지를 ‘쓸 수 있는 지도’로 바꾼 방법

이 성과는 자넬리아 연구캠퍼스와 협력진이 약 20년에 걸쳐 쌓아 온 작업의 결과다. 구글 리서치, MRC 분자생물학연구소, 케임브리지대 연구진도 협업에 참여했다.

단일 기술만으로는 불가능한 규모였다. 연구진은 여러 단계를 결합했다.

• 전자현미경(EM) 촬영: 뉴런의 형태와 시냅스 연결을 식별할 수 있을 만큼 세밀한 이미지를 만들었다. 자넬리아의 FlyEM 프로젝트는 초파리 신경계 전반의 뉴런과 시냅스를 지도화하는 기반 기술로 전자현미경을 사용한다. 8
• AI 보조 계산: 방대한 이미지에서 후보 뉴런 구조를 재구성하고, 사람이 전부 손으로 추적하기 어려운 규모의 작업을 가능하게 했다. 구글은 이 협업을 컴퓨팅과 AI로 전뇌의 세포 수준 지도를 만드는 10년간의 파트너십으로 설명한다.
• 사람의 검수와 주석 작업: 자동화 결과를 검증하고 세포 유형과 연결 정보를 정리해, 실제 연구에 사용할 수 있는 완성 자료로 만들었다. 최종 데이터셋은 ‘완전 검수’ 및 ‘포괄적 주석 처리’를 마친 것으로 소개된다. 25
• 세포 유형·분자 표지 정보: 배선도를 생물학적으로 해석할 수 있도록 성 결정 관련 유전자인 fruitless와 doublesex의 발현 주석도 포함했다. 5

요컨대 AI는 규모의 장벽을 낮췄고, 전문가의 검수는 이 지도를 신뢰할 수 있는 과학 자원으로 완성했다.

수컷과 암컷을 비교하면 무엇이 보이나

수컷 중추신경계 지도와 기존 암컷 전뇌 커넥톰을 나란히 놓으면, 시냅스 해상도에서 직접 비교가 가능하다. 연구진은 중심뇌에서 대응 관계를 찾은 7319개 세포 유형 가운데 7205개가 구조적으로 대응되는 동형 유형이며, 114개는 성적 이형 유형이라고 보고했다. 이와 별도로 수컷 특이 유형은 262개, 암컷 특이 유형은 69개였다. 5

이는 행동 연구만으로는 가르기 어려웠던 두 가능성을 검증하게 한다. 특정 행동이 한 성에만 존재하는 뉴런 유형 때문에 나타나는지, 혹은 두 성에 모두 있는 뉴런이 서로 다르게 연결돼 나타나는지를 구분할 수 있기 때문이다. fruitless와 doublesex 주석은 성적 이형 회로를 추적할 분자적 기준점도 제공한다. 56

맛 감각은 어떻게 먹는 행동으로 이어지나

중추신경계 전체의 지도가 특히 강력한 이유는 칼슘 이미징 같은 기능 실험과 결합할 수 있기 때문이다. 전뇌 커넥톰과 칼슘 이미징을 함께 사용한 연구에서는, 식도하부 영역(SEZ)의 초기 맛 반응 뉴런 다수가 단일 맛 양식을 부호화하는 것으로 나타났다. 여기에는 국소 인터뉴런과 투사 뉴런이 포함된다.

관련 커넥톰 분석은 이 영역의 2차 맛 뉴런이 대체로 맛 양식별로 분리돼 있음을 보여줬다. 반면 3차 뉴런은 SEZ 바깥으로 더 넓게 뻗고, 여러 맛 양식 간 중복도 더 컸다. 이런 구조는 맛 신호를 먹이 섭취 관련 의사결정으로 변환하는 데 기여할 수 있다.

또 다른 보고는 몸의 감각 뉴런에서 섭식 운동을 구동하는 운동 경로까지 맛 신호를 추적했으며, 영양분이 흡수되기 전 맛 자극만으로 인슐린 분비가 미리 유도될 가능성을 설명할 수 있는 경로를 제시했다. 다만 현재 제공된 보도는 이를 가능한 회로 수준의 설명으로 뒷받침할 뿐, 인슐린 신호의 확정적 기전을 입증한 것은 아니다.

더 큰 뇌를 위한 청사진이지만, 지름길은 아니다

수컷 초파리 커넥톰은 고해상도 촬영, 확장 가능한 자동 재구성, 엄격한 검수, 표준화된 주석, 그리고 다른 연구자가 데이터를 검색·재사용할 수 있는 도구를 결합한 실전 모델이다. 자료는 인터랙티브 탐색과 프로그래밍 방식의 질의에 모두 활용할 수 있다. 1

그렇다고 완전한 생쥐 또는 인간 커넥톰이 곧 가능해진다는 뜻은 아니다. 더 큰 뇌에서는 조직 부피, 촬영, 재구성, 저장 공간, 계산량, 품질 관리의 난도가 가파르게 높아진다. 다만 초파리 연구는 해부학·신경 활동·행동을 함께 연구할 수 있는 시스템에서, 미래 대형 프로젝트에 필요한 작업 흐름을 실제 규모로 검증했다는 의미가 있다.

이번 성과의 본질은 단순히 기록적인 뉴런 수에 있지 않다. 뇌와 복신경삭을 한 개체 안에서 잇고, 검수와 검색이 가능한 공통 기준 지도를 만들었다는 데 있다. 이제 연구자들은 이 지도를 바탕으로 신경 배선이 성별 특이 행동, 감각적 선택, 움직임으로 어떻게 이어지는지 더 정밀하게 시험할 수 있다. 25