in Flyandbee, Woo Jae Kim (2014-) |

뇌는 몸 전체와 대화한다: 제브라피시 전신 영상 연구

TL;DR

  • 뇌만 보던 카메라가 몸 전체를 비췄다. 미국 재닐리아 연구소 미샤 아렌스 연구팀이 투명한 제브라피시 유생의 근육, 간, 신장 같은 온몸의 세포 활동을 칼슘 신호로 한꺼번에 찍었다는 연구가 경향신문 신경과학 저널클럽에 소개됐다. 뇌를 몸에서 떼어 보지 않고, 몸 안의 뇌로 보려는 시도다.
  • 뉴런이 아닌 세포가, 뇌가 아닌 장이 대화에 끼어 있었다. 쉬고 있을 때 후뇌와 척수에서 보이던 느린 활동은 뉴런이 아니라 뇌실을 둘러싼 뇌실막세포에서 나왔고, 산소가 부족해지면 후뇌가 장으로 가는 혈류를 줄였다. 신경계의 ‘대화’에 참여하는 목록이 더 길어진 셈이다.
  • 초파리유전학자의 결론. 초파리 연구자들은 오래전부터 장과 지방체, 신경펩타이드가 행동을 바꾼다는 것을 알고 있었다. 이번 연구는 그 감각을 척추동물의 몸 전체에서 눈으로 확인하게 해 준다. 뇌를 이해하려면 몸 전체를 들어야 한다는 것, 그것이 작은 동물들이 함께 가르쳐 주는 교훈이라고 나는 생각한다.

초파리 연구실의 하루는 대개 해부로 시작한다. 마취된 파리를 해부 접시에 눕히고, 핀셋 두 개로 머리에서 뇌를 꺼낸다. 익숙해지면 1분이 채 걸리지 않는다. 그렇게 꺼낸 뇌를 염색하고 현미경으로 들여다보는 것이 신경유전학의 일상이다. 그런데 뇌를 꺼내는 그 순간, 우리는 늘 무언가를 버리고 있다. 뇌를 감싸던 몸, 장과 지방체와 근육과 혈림프를.

지난 일요일 밤 경향신문의 「신경과학 저널클럽」에서 DGIST 최한경 교수가 소개한 연구를 읽었다. 투명한 물고기의 몸 전체에서 세포들이 주고받는 신호를 한꺼번에 찍었다는 이야기였다. 나는 이 글을 읽으며 해부 접시 위에 버려 두던 것들을 떠올렸다. 뇌는 몸 안에서만 뇌라는 사실을, 우리는 너무 자주 잊는다.

투명한 몸을 한꺼번에 보다

소개된 연구는 미국 하워드휴스의학연구소 재닐리아 연구소의 미샤 아렌스 연구팀이 한 것이다. 아렌스는 제브라피시 유생의 뇌 전체를 광시트 현미경으로 찍어 수만 개 뉴런의 활동을 한꺼번에 기록하는 연구로 잘 알려진 사람이다. 이번에는 시야를 뇌 바깥으로 넓혔다. 근육, 간, 신장 같은 기관의 세포 활동을 칼슘 신호로 실시간에 가깝게 영상화했다는 것이 칼럼의 설명이다.

제브라피시 유생은 몸이 투명하고 작아서, 살아 있는 상태 그대로 몸 전체를 현미경 아래 둘 수 있다. 세포 안의 칼슘 농도는 뉴런이 흥분할 때만이 아니라 근육이 수축할 때, 분비세포가 무언가를 내보낼 때도 변한다. 그러니 칼슘을 비추는 형광 단백질을 온몸에 발현시키면, 이론적으로는 몸 전체가 무엇을 하고 있는지 한 장의 영상으로 볼 수 있다. 말로는 간단하지만, 기관마다 다른 깊이와 움직임을 한 번에 다루는 일은 기술적으로 만만치 않았을 것이다. 구체적인 방법은 원 논문으로 확인해야 한다.

나는 이 연구의 가치가 어떤 개별 발견보다 ‘관찰의 단위’를 바꾼 데 있다고 본다. 신경과학은 오랫동안 뉴런 하나, 회로 하나, 뇌 영역 하나를 단위로 삼아 왔다. 커넥톰은 그 단위를 뇌 전체로 키웠다. 이제 누군가는 그 단위를 몸 전체로 키우려 한다. 무엇을 한 번에 볼 수 있느냐가 무엇을 질문할 수 있느냐를 정한다는 것은, 과학사가 여러 번 보여 준 일이다.

물론 한 번에 많이 보는 것이 곧 많이 이해하는 것은 아니다. 수만 개의 세포가 동시에 깜박이는 영상은 그 자체로는 거대한 데이터일 뿐이다. 어떤 깜박임이 의미 있는 신호이고 어떤 것이 잡음인지 가려내려면 결국 가설과 실험이 필요하다. 그래서 나는 이런 연구를 답이라기보다 질문의 목록을 새로 써 주는 지도에 가깝다고 본다.

뉴런이 아니었던 신호

칼럼이 전하는 첫 번째 발견은 이렇다. 물고기가 쉬고 있을 때 후뇌와 척수에서 느리게 오르내리는 활동이 보이는데, 이 활동이 뉴런이 아니라 뇌실막세포에서 나왔다는 것이다. 뇌실막세포는 뇌척수액이 흐르는 뇌실과 척수 중심관의 벽을 덮는 세포다. 교과서에서는 대개 ‘벽’의 역할로 짧게 소개되고 넘어간다.

이 결과가 흥미로운 이유는, 뇌 영상에서 보이는 활동을 우리가 너무 쉽게 뉴런의 활동으로 읽어 왔기 때문이다. 특히 휴식기에 나타나는 느린 리듬은 ‘뇌가 쉬면서도 무언가를 처리한다’는 이야기의 근거로 쓰이곤 한다. 만약 그 리듬의 일부가 뉴런이 아닌 세포에서 온다면, 우리는 휴식의 생리학을 조금 다르게 써야 할지도 모른다. 이것은 내 해석이고, 이 느린 활동이 어떤 기능을 하는지는 칼럼에서도 열린 질문으로 남아 있다.

초파리 뇌에서도 비슷한 교훈이 있었다. 신경교세포는 오랫동안 뉴런을 받쳐 주는 조연으로 여겨졌지만, 초파리 연구는 신경교세포가 수면과 일주기 리듬, 행동에 직접 관여한다는 증거를 쌓아 왔다. 뇌의 대화에 참여하는 세포의 목록은 늘 우리가 처음 생각한 것보다 길었다. 투명한 물고기는 그 목록에 또 한 줄을 더한 셈이다.

숨이 가쁠 때 장을 줄이는 뇌

두 번째 발견은 뇌와 장 사이의 이야기다. 산소가 부족한 상황에서 후뇌가 장으로 가는 혈류를 줄였다는 것이다. 칼럼의 설명대로라면, 몸 전체를 한꺼번에 보았기 때문에 뇌의 한 부분과 장의 혈관이 같은 순간에 함께 반응하는 것을 잡아낼 수 있었다.

이것은 뇌만 찍는 실험에서는 볼 수 없는 장면이다. 뇌 영상만 있었다면 후뇌의 어떤 활동이 왜 일어나는지 추측만 했을 것이고, 장의 혈관만 보았다면 그 변화가 어디서 지시되었는지 몰랐을 것이다. 원인과 결과가 서로 다른 기관에 흩어져 있을 때, 그 둘을 한 화면에 함께 담는 것만으로도 새로운 질문이 생긴다. 예를 들어 후뇌의 어떤 세포가 혈관에 신호를 보내는지, 그 신호가 신경을 타고 가는지 호르몬으로 퍼지는지 같은 질문이다. 칼럼만으로는 그 경로까지 알 수 없지만, 다음 실험이 무엇이어야 하는지는 분명해 보인다.

생리학의 언어로 보면 이것은 낯선 이야기가 아니다. 위급할 때 몸이 소화기관보다 뇌와 심장에 피를 몰아준다는 것은 오래전부터 알려진 반응이다. 새로운 것은 그 반응이 뇌의 어느 부분에서 시작해 몸의 어느 세포에 도착하는지를, 살아 있는 동물에서 한 장면으로 볼 수 있게 되었다는 점이다. 우리가 알던 원리를 ‘보게’ 되는 일은, 그 원리를 새로 알게 되는 일만큼 중요하다고 나는 생각한다.

요즘 장-뇌 축이라는 말은 대중 과학에서도 흔하다. 장내미생물이 기분을 바꾼다는 이야기, 장이 ‘제2의 뇌’라는 이야기가 넘쳐난다. 그런데 그 이야기의 상당수는 장에서 뇌로 가는 신호에 머물러 있다. 이번 연구는 반대 방향, 곧 뇌가 장에 무엇을 시키는지를 보여 준다. 대화는 언제나 양방향이다.

초파리의 몸, 작은 전신 생리학

초파리 연구자로서 이 연구를 읽는 마음은 조금 복잡하다. 초파리는 제브라피시처럼 투명하지 않다. 그래서 우리는 몸 전체를 한 장의 영상으로 보는 대신, 유전학이라는 다른 방법으로 몸을 들어 왔다. 특정 장 세포에서만 유전자를 끄고, 지방체에서만 신경펩타이드를 과발현하고, 그때 뇌와 행동이 어떻게 바뀌는지를 보는 식이다. 초파리의 장 내분비세포가 만드는 펩타이드가 먹이 선택과 수면, 짝짓기 행동을 바꾼다는 연구는 이미 많이 쌓여 있다.

그러니 두 동물은 같은 질문에 서로 다른 방향에서 다가가고 있다. 제브라피시는 ‘무엇이 동시에 일어나는가’를 보여 주고, 초파리는 ‘무엇이 무엇을 일으키는가’를 시험하게 해 준다. 관찰과 조작은 원래 함께 가야 한다. 나는 모델생물을 서로 대체하는 부품이 아니라 서로를 확인하는 생태계로 보아야 한다고 믿는데, 이번 연구는 그 믿음을 또 한 번 뒷받침해 준다.

모건의 파리방에서 시작된 초파리 유전학은 처음에는 눈 색깔과 날개 모양을 세는 학문이었다. 그 뒤 백 년 동안 초파리는 발생학의 동물이 되었고, 신경과학의 동물이 되었고, 이제는 대사와 면역과 노화의 동물이 되었다. 초파리가 몸 전체의 동물로 자란 것은 연구자들이 해부 접시 위에 버리던 조직들을 하나씩 다시 주워 들었기 때문이라고 나는 생각한다.

뇌를 몸에서 떼어 내야 보이는 것이 있다. 그러나 몸에 붙어 있어야만 보이는 것도 있다. 투명한 물고기의 영상은 뇌가 늘 몸 전체와 대화하고 있었고, 그 대화에는 우리가 조연이라고 부르던 세포와 기관들이 함께 있었다는 사실을 보여 준다.

과학 커뮤니케이션의 언어로도 한마디 해 두고 싶다. 우리는 흔히 뇌를 몸의 사령탑으로, 다른 기관을 명령을 받는 부하로 그린다. 그 그림은 이해하기 쉽지만 정확하지 않다. 사령탑은 끊임없이 보고를 듣고, 때로는 보고하는 쪽이 판단을 바꾼다. 뇌와 몸의 관계를 위계가 아닌 대화로 그리는 것, 그것이 이 연구가 대중에게 건넬 수 있는 가장 좋은 이야기라고 나는 생각한다.

내일도 나는 해부 접시 위에서 파리의 뇌를 꺼낼 것이다. 다만 그 옆에 남은 작은 장과 지방체를 조금 더 오래 바라볼 것 같다. 몸 전체가 듣고 있었다는 것을, 이제는 알게 되었으니까.

보통 과학자

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