초파리 뇌 매핑: 신경과학의 새로운 이정표: 초파리 뇌 지도 제작

초파리의 뇌는 동물계에서 가장 정교하지는 않지만, 과학자들에게 뇌의 기능에 대해 더 많이 배울 수 있는 전례 없는 기회를 제공했습니다. 연구자들은 이제 유기체의 뇌, 특히 암컷 초파리 한 마리의 뇌에 대해 지금까지 만들어진 것 중 가장 상세한 지도, 즉 '커넥톰(연결망)'을 공개했습니다.초파리 멜라노가스터 ). 플라이와이어 프로젝트의 과학자 컨소시엄이 주도한 이 획기적인 연구는 인지 및 행동의 구성 요소를 형성하는 뉴런과 시냅스의 복잡한 웹에 대한 새로운 시각을 제공합니다.

뇌 매핑의 기념비적 성과
초파리 커넥톰은 약 14만 개의 뉴런과 5,450만 개 이상의 시냅스, 즉 신경 세포 간의 연결을 자세히 설명하는 놀라운 업적입니다. 이는 지금까지 어떤 생물체의 뇌에 대해서도 가장 포괄적인 지도입니다. 프린스턴 대학교의 신경과학자 말라 머시와 세바스찬 승이 주도한 이 프로젝트는 4년 넘게 개발되어 왔으며, 신경 구조에 대한 이해의 중요한 진전을 의미합니다.
앨런 뇌과학연구소의 신경생물학자 클레이 리드는 이번 성과에 대해 "엄청난 일"이라고 설명했습니다. 실제로 과학계에서는 뇌가 정보를 처리하고 행동을 조정하는 방법을 연구할 수 있는 새로운 플랫폼을 제공한다는 점에서 이 수준의 세부 정보를 수년 동안 간절히 기다려 왔습니다.

커넥톰을 향한 긴 여정
초파리 뇌의 커넥톰을 만드는 것은 결코 쉬운 일이 아니었습니다. 연구자들은 초파리 뇌의 얇은 조각을 전자 현미경으로 촬영한 이미지를 사용하여 방대한 양의 데이터를 인공 지능(AI)의 도움으로 연결했습니다. 하지만 AI 도구만으로는 충분하지 않았고 정확성을 보장하기 위해 사람의 교정이 필요했으며, 그 결과 300만 건 이상의 수작업이 필요했습니다. 특히 코로나19 팬데믹으로 인해 많은 파리 연구자들이 원격 근무를 해야 했던 시기에는 프로젝트에 자원봉사자가 필요할 정도로 많은 작업이 필요했습니다.
데이터를 취합하고 수정한 후, 팀은 또 다른 어려운 과제에 직면했습니다:어노테이션. 이 과정에는 위성 이미지에서 물체에 라벨을 붙이는 것과 마찬가지로 각 뉴런을 식별하고 분류하는 작업이 포함되었습니다. 이러한 노력을 통해 연구자들은 예상보다 훨씬 많은 8,453개의 뉴런 유형을 확인했습니다. 이 중 4,581개는 이전에는 알려지지 않았던 것으로, 새로운 연구 가능성이 풍부하게 열렸습니다. 승은 "세포 유형 하나하나가 모두 의문입니다."라고 말하며 앞으로의 방대한 연구 범위를 강조했습니다.

놀라운 연결과 인사이트
플라이와이어 커넥톰의 가장 놀라운 발견 중 하나는 뇌가 얼마나 서로 연결되어 있는지에 대한 것입니다. 연구자들은 시각과 같은 단일 감각 회로에만 관여한다고 생각했던 뉴런이 청각이나 촉각과 같은 다른 감각으로부터도 입력을 받고 있다는 사실을 발견하고 놀라움을 금치 못했습니다. "뇌가 얼마나 서로 연결되어 있는지 놀랍습니다."라고 머시는 말합니다.
플라이와이어 지도는 이미 몇 년 전부터 제공되어 연구자들이 데이터를 탐색하고 새로운 인사이트를 창출할 수 있도록 해왔습니다. 예를 들어, 커넥톰 공개와 함께 수행된 연구 중 하나는초파리 뇌의 가상 모델 . 이 모델은 단맛이나 쓴맛과 같은 자극에 뉴런이 반응하는 방식과 이러한 신호가 먹이를 먹기 위해 코를 펴는 것과 같은 행동을 유발하는 방식을 정확하게 시뮬레이션했습니다. 이 모델의 정확성은 실제 실험을 통해 확인되었으며, 90% 이상의 정확도로 행동을 예측하고 설명할 수 있는 커넥토믹스의 잠재력을 보여주었습니다.
또 다른 연구에서 연구자들은 파리의 걷기를 멈추는 능력을 제어하는 두 가지 특정 회로를 확인했습니다. 한 회로는 파리가 먹이를 먹기 위해 멈출 때 '걷기' 신호를 중단하고, 다른 회로는 파리의 다리 관절에 저항을 일으켜 파리가 스스로 멈추고 몸을 정리할 수 있도록 합니다. 이러한 연구 결과는 파리의 신경 제어 시스템을 이해하는 데 있어 현재 달성할 수 있는 정밀도의 수준을 강조합니다.

뇌의 복잡성을 이해하기 위한 한 걸음
플라이와이어 커넥톰의 획기적인 특성에도 불구하고 아직 해야 할 일이 많이 남아 있습니다. 이 지도는 한 마리의 암컷 파리에서 만들어졌으며, 초파리의 뇌는 일반적으로 비슷하지만 동일하지는 않습니다. 예를 들어, 이전에 매핑된 다른 초파리의 '반구뇌'와 비교했을 때, 새로운 커넥톰은 후각과 관련된 뇌 구조인 버섯 몸체의 뉴런이 두 배 더 많은 것으로 나타났습니다. 이러한 차이는 초파리가 성장하는 동안 충분한 영양을 섭취했는지 여부와 같은 발달 요인에서 비롯된 것일 수 있습니다.
또한 FlyWire 커넥톰은 다음을 매핑합니다.화학적 시냅스 -신경전달물질이 뉴런 간에 신호를 전달하는 부위)을 설명할 수 있지만, 뉴런 간의 전기적 연결이나 다른 형태의 통신은 설명하지 못합니다. 이러한 차이는 수컷 파리의 뇌를 매핑하여 구애 중 노래와 같은 수컷 특유의 행동을 연구하는 등 앞으로의 연구 방향을 제시합니다.
앞으로 나아갈 길
FlyWire 커넥톰이 초파리 뇌에 대한 최종 결론은 아니지만, 중요한 이정표입니다. 과학자들은 이 상세한 지도를 작성함으로써 뇌 기능, 행동, 의사 결정의 신경학적 기초를 그 어느 때보다 더 자세히 연구할 수 있는 새로운 기회를 열었습니다. 연구가 계속 진행됨에 따라 이 작은 곤충의 뇌에서 얻은 통찰력은 신경망의 기본 원리를 밝혀내어 과학자들이 인간을 포함한 더 크고 복잡한 유기체를 연구하는 데 도움이 될 수 있습니다.
공동 저자인 데이비 복의 말을 빌리자면, "아직 끝나지 않았지만 큰 진전입니다." 이 단계는 뇌의 작동 방식과 복잡한 뉴런의 그물망이 어떻게 행동을 일으키는지에 대한 명확한 이해를 제공함으로써 향후 신경과학의 획기적인 발전을 위한 길을 열어줄 수 있습니다.