in Flyandbee, Woo Jae Kim (2014-) |

초파리 맛 커넥톰 지도: 온몸의 미각이 뇌와 행동으로 이어지는 길

TL;DR

  • 파리는 온몸으로 맛본다. 포르투갈 샴팔리모 재단의 카를루스 히베이루 연구팀이 초파리의 입, 목구멍, 다리, 날개에 있는 맛 감지 뉴런을 모두 찾아내고, 그 신경이 뇌 안에서 어디로 이어지는지를 커넥톰 위에 그려 냈다. 선충보다 복잡한 동물에서는 처음 나온 이런 종류의 지도라고 한다.
  • 맛은 먹기를 ‘켜는’ 신호가 아닐지도 모른다. 지도가 보여 준 그림 가운데 하나는, 먹기를 담당하는 뉴런이 평소에는 늘 억제되어 있고 맛이 그 브레이크를 풀어 준다는 가설이다. 단맛을 느낀 신경들은 비슷한 하류 뉴런으로 모이면서도, 어느 몸의 부위에서 맛을 봤는지는 잊지 않는 것으로 보인다.
  • 초파리유전학자의 결론. 이 지도는 답이 아니라 가설의 목록이다. 그리고 그 목록을 누구나 펼쳐 볼 수 있다는 것, 시민과학자까지 손을 보태 만든 공개 지도 위에서 이 연구가 가능했다는 것이 파리방의 전통이 오늘 살아 있는 방식이라고 나는 본다.

초파리 연구실의 하루는 먹이를 끓이는 일로 시작하는 날이 많다. 옥수수 가루와 효모, 당분을 섞어 끓인 먹이를 바이알에 붓고, 식으면 파리를 옮긴다. 파리는 새 먹이 위에 내려앉자마자 다리로 표면을 더듬고, 주둥이를 내밀어 먹이를 핥는다. 매일 보는 장면이라 무심히 지나치지만, 사실 그 짧은 순간에 파리는 이미 여러 번 맛을 본다. 발끝으로 한 번, 주둥이로 한 번, 삼키면서 목구멍으로 또 한 번.

이번 주 신경과학 뉴스 매체 The Transmitter는 이 장면을 처음으로 신경 하나하나의 수준에서 그려 낸 지도를 소개했다. 초파리의 맛 감지 뉴런이 몸의 어디에 있고, 그 신경이 뇌 안에서 어떤 길을 따라 행동으로 이어지는지를 추적한 연구다. 나는 이 기사를 읽으며 지도라는 것이 과학에서 무엇을 하는지, 그리고 그 지도가 누구의 것인지를 다시 생각했다.

혀만으로 맛보지 않는 동물

기사를 정리하면 이렇다. 연구는 포르투갈 샴팔리모 재단 미지의 센터(Champalimaud Centre for the Unknown)에서 행동과 대사를 연구하는 카를루스 히베이루(Carlos Ribeiro)의 연구팀이 이끌었고, 지난 9월 학술지 셀(Cell)에 실렸다. 연구팀은 광학현미경으로 수컷과 암컷 초파리의 혀에 해당하는 주둥이 끝, 목구멍(인두), 다리, 날개에 있는 맛 감지 뉴런을 빠짐없이 찾아냈고, 각 뉴런을 모양과 유전자 발현에 따라 분류했다.

파리가 다리로 맛을 본다는 사실 자체는 오래전부터 알려져 있었다. 20세기 중반 검정파리의 섭식 행동을 연구한 빈센트 디시어(Vincent Dethier)는 파리의 발에 있는 감각털에 설탕물을 대면 주둥이가 저절로 펴진다는 것을 보여 주었고, 그 이야기를 『파리를 안다는 것(To Know a Fly)』이라는 유쾌한 책으로 남겼다. 그러니 이번 연구의 새로움은 ‘파리가 온몸으로 맛본다’는 데 있지 않다. 그 감각들이 뇌 안에서 어떻게 엮이는지를 시냅스 하나하나의 수준에서 처음으로 따라갔다는 데 있다.

이것이 가능했던 것은 이미 만들어져 있던 두 개의 지도 덕분이다. 연구팀은 같은 호에 함께 실린 수컷 초파리 전체 신경계의 커넥톰과, 시민과학자들의 도움으로 완성된 암컷 성체 뇌의 커넥톰 위에 맛 뉴런의 축삭을 하나씩 이어 붙였다. 감각기관에서 시작해 뇌를 지나 행동을 만드는 운동 쪽까지, 감각에서 행동으로 가는 길을 한 장의 그림으로 그린 셈이다. 기사는 이것이 예쁜꼬마선충보다 복잡한 동물에서 나온 이런 종류의 첫 지도라고 전한다.

어디서 맛봤는지 기억하는 회로

지도가 보여 준 첫 번째 그림은 수렴과 구별의 공존이다. 다리, 날개, 주둥이처럼 서로 다른 부위의 단맛 뉴런은 뇌 안에서 비슷한 하류 뉴런으로 모인다. 그런데 그렇게 모이면서도 경로들은 어느 부위가 설탕을 감지했는지에 대한 정보를 놓치지 않는 것으로 보인다고 한다.

나는 이 대목이 흥미롭다. 단맛은 단맛이니 한곳으로 모아 ‘먹을 만하다’는 결론만 내면 될 것 같은데, 회로는 굳이 출처를 기억한다. 발끝에서 느낀 단맛은 ‘멈춰서 살펴볼 곳’이라는 뜻이고, 주둥이에서 느낀 단맛은 ‘이제 먹어도 된다’는 뜻이며, 목구멍에서 느낀 단맛은 ‘계속 삼켜도 된다’는 뜻일 수 있다. 같은 맛이라도 어디서 느꼈느냐에 따라 행동의 단계가 다르다. 물론 이것은 지도를 보고 내가 떠올린 해석이고, 실험으로 확인할 일이다.

두 번째 그림은 목구멍이다. 기사에 따르면 인두에는 삼킴과 인슐린 분비에 연결된 맛 뉴런이 ‘거대한 가족’을 이룰 만큼 다양하게 있고, 주둥이 끝에서도 적어도 두 가지의 새로운 뉴런 유형이 확인됐다. 우리가 혀에만 맛이 있다고 생각하듯, 초파리 연구자들도 오랫동안 주둥이 끝의 감각털에 실험을 집중해 왔다. 몸 안쪽의 맛, 이미 삼키기 시작한 음식을 다시 한번 검사하는 감각은 상대적으로 덜 보였던 셈이다.

맛은 브레이크를 푸는 일

세 번째 그림이 가장 마음에 남았다. 연구팀은 먹기에 관여하는 뉴런들이 평소에는 늘 억제되어 있고, 맛이 하는 일은 그 억제를 풀어 주는 것일 수 있다고 본다. 히베이루는 기사에서 맛이 실제로 하는 일을 브레이크를 푸는 일에 빗댔다.

우리는 흔히 감각을 ‘켜는’ 신호로 생각한다. 맛있는 것을 느끼면 먹고 싶어진다는 식이다. 그런데 이 가설대로라면 기본값은 ‘먹지 않음’이고, 맛은 그 기본값을 잠시 해제하는 열쇠다. 굶주린 동물이든 배부른 동물이든, 아무것이나 입에 넣지 않도록 몸은 늘 브레이크를 밟고 있다는 이야기다. 나는 이것이 생물학적으로 그럴듯한 설계라고 생각한다. 잘못 먹는 대가는 대개 굶는 대가보다 빨리, 그리고 크게 오기 때문이다. 이것 역시 나의 해석이다.

다만 기사가 짚은 한계도 함께 적어 둔다. 이번 지도에서 각 뉴런이 쓰는 신경전달물질은 직접 측정한 것이 아니라 AI로 예측한 것이다. 또 여러 단계를 거치는 경로는 연결 강도를 추정해 그린 것이어서, 약하지만 수가 많은 연결로 이뤄진 경로는 덜 드러났을 수 있다고 연구에 참여하지 않은 연구자가 지적했다. 브레이크 가설은 지도가 던진 질문이지, 지도가 내린 결론이 아니다.

지도는 누구의 것인가

연구에 참여하지 않은 한 연구자는 이 지도를 두고 이제 그 위에서 마음껏 실험해 볼 수 있는 ‘플랫폼’이 생겼다고 했고, 다른 연구자는 이것이 귀중한 길잡이지만 뇌를 다 풀어 주지는 않는다고 했다. 다음 단계로는 뉴런 하나하나의 유전자 발현 정보를 커넥톰 위에 겹쳐 보는 일이 거론된다. 나는 두 말이 모두 맞다고 생각한다. 지도는 답이 아니라, 누구나 집어 들 수 있는 가설의 목록이다.

그리고 그 목록이 누구에게나 열려 있다는 사실이 중요하다. 이번 연구가 기댄 암컷 뇌 커넥톰은 수많은 연구자와 시민과학자가 함께 뉴런을 따라 그리며 완성한 공개 자료다. 포르투갈의 한 연구실이 그 위에 맛의 지도를 얹을 수 있었던 것은, 그 지도를 만든 사람들이 그것을 자기 것으로 움켜쥐지 않았기 때문이다. 모건의 파리방에서 돌연변이 계통이 편지 한 통으로 세계 곳곳의 연구실에 나눠졌듯, 오늘의 커넥톰은 데이터로 나눠진다. 초파리유전학이 백 년 넘게 지켜 온 공유지의 전통이 디지털 지도라는 새 모습으로 이어지고 있는 셈이다.

같은 주 The Transmitter의 다른 기사들은 미국 정부가 영장류 동물실험을 줄이고 계산 모델이나 오가노이드 같은 대체 방법으로 옮겨 가려 한다는 소식을 다뤘다. 이 흐름의 옳고 그름을 여기서 판단할 생각은 없다. 다만 나는 이런 변화 속에서 모델생물과 공개 지도의 가치가 다시 물어질 것이라고 본다. 동물실험을 줄이자는 요구와 생명 현상을 제대로 이해하자는 요구는 서로 다른 방향을 가리킬 수 있고, 그 사이를 잇는 다리 가운데 하나가 누구나 쓸 수 있는 정밀한 지도일 수 있다. 이것은 나의 해석이며, 각 대체 방법이 영장류 연구를 얼마나 대신할 수 있는지는 분야마다 따로 따져야 할 문제다.

파리가 새 먹이 위에 내려앉아 다리를 더듬는 장면은 내일 아침에도 연구실 어딘가에서 반복될 것이다. 이제 우리는 그 순간 파리의 몸 안에서 어떤 신경이 어떤 길을 따라 신호를 보내는지, 적어도 그 지도의 초안은 갖게 되었다. 지도는 길을 알려 주지만 걸어 주지는 않는다. 걷는 일은 여전히 바이알 앞에 앉은 사람들의 몫이다.

그리고 그 지도가 누구에게나 펼쳐져 있다는 것, 나는 그것이 이번 연구에서 가장 낭만적인 대목이라고 생각한다. 맛은 브레이크를 푸는 일일지 모른다. 과학에서 공유는 어쩌면 호기심의 브레이크를 푸는 일이다.

보통 과학자

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