과학자들은 지금까지 가장 큰 뇌 배선도와 기능 지도를 완성했습니다.

모래알만 한 작은 조직 표본에서 과학자들은 한때 불가능하다고 여겨졌던 목표, 즉 뇌 일부의 완전한 기능적 배선도를 구축하는 데 근접했습니다. 1979년, 저명한 분자생물학자 프랜시스 크릭은 "1세제곱밀리미터(mm³)의 뇌 조직과 그 안의 모든 뉴런이 발화하는 방식에 대한 정확한 배선도를 만드는 것은 [불가능하다]"고 말했습니다. 하지만 지난 7년 동안 150명이 넘는 신경과학자와 연구자들로 구성된 전 세계 팀이 그 목표를 현실로 한 걸음 더 가까이 가져왔습니다.

피질 네트워크 기반 기계 지능(MICrONS) 프로젝트는 지금까지 포유류 뇌의 가장 상세한 배선도를 구축했습니다. 오늘 과학자들은 이 방대한 데이터 리소스에서 얻은 과학적 연구 결과( https://www.nature.com/collections/bdigiaicbd 참조)를 Nature 계열 저널에 10건의 연구 논문으로 발표했습니다 . MICrONS Explorer를 통해 무료로 이용할 수 있는 이 배선도와 데이터는 1.6페타바이트(22년 분량의 HD 영상에 해당)에 달하며, 뇌 기능과 시각 체계 구성에 대한 전례 없는 통찰력을 제공합니다.

"이번 Nature 특별호에 게재된 MICrONS 연구 성과는 신경과학에 있어 획기적인 사건으로, 그 혁신적 잠재력 면에서 인간 게놈 프로젝트와 비견될 만합니다." 이 연구를 조정한 전 IARPA 프로그램 매니저 데이비드 A. 마코위츠 박사의 말입니다.

"IARPA의 MICrONS 프로그램에 대한 획기적인 투자는 기존의 기술적 한계를 깨고, 지능을 이해하는 데 필요한 규모로 신경 구조와 기능의 관계를 연구할 수 있는 최초의 플랫폼을 구축했습니다. 이 성과는 우리의 집중적인 연구 접근 방식을 입증하고 향후 전체 뇌 수준으로 확장할 수 있는 토대를 마련합니다."

베일러 의과대학의 과학자들은 특수 현미경을 사용하여 생쥐의 시각 피질 1mm3 부분에서 다양한 영화와 유튜브 영상을 시청하는 동안 뇌 활동을 기록하는 것으로 시작했습니다. 그 후, 앨런 연구소 연구원들은 같은 mm3의 뇌를 인간 머리카락 두께의 1/400인 25,000개 이상의 층으로 자르고 전자 현미경 배열을 사용하여 각 조각의 고해상도 사진을 촬영했습니다. 마지막으로 프린스턴 대학교의 또 다른 팀은 인공지능과 머신러닝을 사용하여 세포와 연결을 3D 볼륨으로 재구성했습니다.

뇌 활동 기록과 결합하여 20만 개 이상의 세포, 4km의 축삭(다른 세포로 연결되는 가지), 5억 2,300만 개의 시냅스(세포를 연결하는 지점)를 포함하는 현재까지 가장 큰 뇌 배선도와 기능 지도가 탄생했습니다.

"그 작은 점 안에는 아름다운 숲과 같은 완전한 건축물이 있습니다." 13년 전 앨런 연구소에 이 분야를 소개한 전자현미경 연결체학의 초기 창시자 중 한 명이자 선임 연구원인 클레이 리드 박사의 말이다. "여기에는 신경과학의 다양한 분야에서 우리가 알고 있던 온갖 연결 규칙들이 있으며, 재구성 과정 자체를 통해 기존 이론을 검증하고 이전에는 아무도 본 적 없는 새로운 것을 발견할 수 있기를 기대할 수 있습니다."

뇌 기능과 조직에 대한 새로운 시각

연구 결과는 새로운 세포 유형, 특성, 조직 및 기능 원리, 그리고 세포 분류의 새로운 방식을 보여줍니다. 가장 놀라운 발견 중 하나는 뇌 내에서 새로운 억제 원리를 발견한 것입니다. 과학자들은 이전에 신경 활동을 억제하는 억제 세포를 다른 세포의 활동을 약화시키는 단순한 힘으로 생각했습니다.

그러나 연구진은 훨씬 더 정교한 수준의 의사소통을 발견했습니다. 억제 세포는 무작위로 행동하는 것이 아니라, 어떤 흥분 세포를 표적으로 삼을지 매우 선택적으로 결정하여 네트워크 전체에 걸친 조정 및 협력 시스템을 구축합니다. 어떤 억제 세포는 함께 작용하여 여러 흥분 세포를 억제하는 반면, 어떤 억제 세포는 특정 유형의 세포만을 표적으로 삼아 더욱 정밀하게 작용합니다.

"이것은 여러 면에서 미래입니다."라고 베일러 의과대학과 스탠퍼드 대학교에서 이 프로젝트를 주도한 과학자 중 한 명인 안드레아스 톨리아스 박사는 설명했습니다. "MICrONS는 행동 수준에서 신경 활동의 표상 수준, 심지어 분자 수준까지 다양한 분석 단계를 아우르는 뇌 기반 모델을 구축하는 랜드마크가 될 것입니다."

이것이 과학과 의학에 의미하는 바

뇌의 형태와 기능을 이해하고, 뉴런 간의 세부적인 연결을 전례 없는 규모로 분석할 수 있는 능력은 뇌와 지능 연구에 새로운 가능성을 열어줍니다. 또한 알츠하이머병, 파킨슨병, 자폐증, 조현병과 같이 신경 전달 장애를 수반하는 질환에도 영향을 미칩니다.

"고장 난 라디오가 있는데 회로도를 가지고 있다면 수리하기가 더 수월할 겁니다." 앨런 연구소 부연구원인 누노 다 코스타 박사는 말했다. "우리는 이 모래알에 대한 일종의 구글 지도 또는 청사진을 제시하고 있습니다. 앞으로 이를 활용하여 건강한 쥐의 뇌 배선과 질병 모델의 뇌 배선을 비교할 수 있을 것입니다."

국경을 넘나드는 협력

MICrONS 프로젝트는 앨런 연구소, 프린스턴, 하버드, 베일러 의과대학, 스탠퍼드 등 여러 대학의 과학자와 연구자 150명 이상이 협력하여 추진하는 프로젝트입니다.

앨런 연구소 데이터 및 기술 부소장인 포레스트 콜먼 박사는 "이런 대규모 팀 규모의 과학 연구를 수행하려면 많은 협력이 필요합니다."라고 말했습니다. "사람들이 큰 꿈을 꾸고, 명백히 해결 불가능한 문제를 해결하기로 합의해야 하며, 그렇게 해서 발전이 이루어집니다."

이러한 협력적인 글로벌 노력은 IARPA(Intelligence Advanced Research Projects Activity)와 국립보건원의 BRAIN Initiative®( 혁신적 신경기술 발전을 통한 뇌 연구 이니셔티브)의 지원을 통해 가능했습니다.

"BRAIN 이니셔티브는 다양한 분야의 과학자들을 한데 모아 단독으로는 달성할 수 없는 복잡하고 어려운 연구를 수행하는 데 중요한 역할을 합니다."라고 BRAIN 이니셔티브®의 책임자인 존 응아이 박사는 말했습니다. "뇌의 연결 방식과 같은 기초 과학의 구성 요소는 뇌 손상과 질병을 더 잘 이해하고 치료법과 완치법을 임상적으로 적용하는 데 필요한 토대입니다."

모래알만 한 크기의 뇌에서 얻은 신경 연결, 형태, 기능 지도는 단순한 과학적 경이로움을 넘어, 생각, 감정, 의식의 불가사의한 기원을 이해하는 데 한 걸음 더 다가간 것입니다. 1979년 프랜시스 크릭이 처음 구상했던 "불가능한" 과제가 이제 현실에 한 걸음 더 다가왔습니다.

자세한 내용은 다음을 참조하세요.

• 불가능한 것에 도전하다: 뇌의 언어를 배우기 위한 20년 여정: https://alleninstitute.org/news/learning-the-language-of-the-brain/
• MiCRONS 프로젝트: 감각 뇌의 기능적, 해부학적 정보에 대한 고밀도 재구성: https://www.nature.com/immersive/d42859-025-00001-w/index.html
• 피질 네트워크(MICrONS) 프로젝트를 통한 머신 인텔리전스: https://www.microns-explorer.org/

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250409114838.htm