국내 연구진이 암세포의 전이와 확산, 기억이나 통증을 느끼도록 하는 신경세포의 활성화 같이 다양한 세포기능에 관여하는 신호전달 단백질의 변화를 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발했다. 기초과학연구원(IBS) 인지및사회성연구단 허원도(카이스트 생명과학과) 교수와 독일 막스플랑크연구회 산하 미국 플로리다 신경과학연구소 권형배 박사 공동연구팀은 신호전달 ‘스위치‘ 단백질의 활성 여부를 관찰할 수 있는 바이오센서를 개발하고 이를 활용해 살아있는 생쥐의 신경세포 활성화 과정을 관찰한 결과를 기초과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 14일자에 발표했다. 세포 내 신호전달 단백질은 스위치가 켜지면 기계가 움직이듯 활성화되거나 비활성화되는 방식으로 세포 기능을 제어한다. 암세포도 세포내 신호전달 단백질에 의해 만들어지고 다른 조직으로 전이되는 것이다. 대표적인 세포 신호전달 단백질인 ‘스몰 지티파제’는 세포 이동과 분열, 사멸, 유전자 발현 등에 관여한다. 연구팀이 개발한 바이오센서는 스몰 지티파제의 모든 변화과정을 실시간으로 볼 수 있 으며 살아있는 생명체의 세포 변화도 수 ㎚(나노미터) 크기 변화까지 정밀하게 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 동물의 암세포 전이, 뇌 속 신경세포의 구조변화까지 볼 수 있다는 것이다.실제로 연구팀은 유방암 전이 암세포에 이번에 개발한 바이오센서를 장착시키고 빛으로 세포 움직임을 조절할 수 있는 광유전학 기술로 암세포 이동방향을 조절하자 세포내 스몰 지티파제 단백질의 움직임과 함께 활성화되는 것을 관찰할 수 있었다. 또 공 위를 달리도록 한 생쥐와 마취된 생쥐의 뇌 운동피질 내 신경세포에서의 스몰 지티파제 단백질 활성여부를 관찰하는 것도 성공했다. 허원도 카이스트 교수는 “이번에 개발한 바이오센서는 시냅스처럼 수 마이크로미터 크기의 미세한 구조에서도 목표 단백질을 관찰할 수 있을 정도로 민감도고 높고 운동하는 생쥐의 생리학적 현상에도 지장을 주지 않는 상태에서 실시간으로 뇌를 관찰할 수 있을 정도”라고 설명했다. 허 교수는 “이번 기술은 광유전학 기술과 함께 사용이 가능하기 때문에 다양한 세포신호전달 연구 뿐만 아니라 뇌인지과학 연구에도 도움을 줄 것”이라고 덧붙였다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

생쥐에 바이오 광전자시스템 삽입해 조절기능 잃은 방광에 빛 흘려 정상작동 파킨슨병 등 뇌질환 치료 기술도 개발현대 과학기술은 가장 작은 미립자의 세계부터 그 끝을 상상할 수 없는 광대한 우주까지 감춰진 비밀을 밝혀내고 있다. 그렇지만 ‘뇌’와 ‘신경계’에 대해서는 여전히 이해하지 못하고 있는 부분이 많다. ‘등잔 밑이 어둡다’는 속담처럼 말이다.연구자들은 몇 년 전부터 ‘광유전학’이라는 새로운 도구로 뇌가 어떤 일을 하고 기억은 어떻게 이뤄지는지, 각종 뇌 신경계 질환은 어떻게 발생하는지 등의 비밀에 한 발짝씩 다가가고 있다. 광유전학(optpgenetics)은 빛(opto)과 유전학(genetics)을 결합한 용어로 뇌 신경세포를 빛에 반응할 수 있도록 유전적으로 조작한 뒤 세포의 생리를 연구하는 분야다. 광유전학이 주목받고 있는 이유는 인간 수명이 늘어나면서 뇌와 신경계 질환을 앓는 사람들이 늘고 있기 때문이다. 미국 미주리주 워싱턴대 의대, 일리노이대, 중국 베이징항공항천대 등 공동연구팀은 광유전학과 생체 전기자극을 통해 신경활동을 제어하는 바이오 전자 시스템을 만들어 방광기능을 조절할 수 있는 방법을 개발하고 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 3일자에 발표했다. 특히 이번 연구에는 미국에서 연구 중인 한국인 과학자가 9명이나 참여한 것으로 알려졌다. 연구팀은 암컷 생쥐에게 약물을 주입해 방광의 조절기능을 상실하도록 만들었다. 사람으로 치면 요실금 증상이 나타나도록 한 것이다. 연구팀은 체내에서 거부반응을 일으키지 않는 물질을 이용해 마이크로미터 크기의 발광다이오드(LED), 전력공급용 무선장치, 데이터 모니터링 장치가 하나로 구성된 바이오 광전자시스템을 생쥐에게 삽입했다. 방광에서 이상 징후가 감지되면 삽입된 장치가 빛과 미세전류를 흘려 방광이 정상 기능을 할 수 있도록 했다. 방광 부근에 장치를 삽입한 생쥐는 방광조절기능상실 약물이 주입되더라도 방광이 일반 생쥐처럼 정상 작동하는 것이 확인됐다. 미국 캘리포니아 버클리대(UC버클리) 전기공학 및 컴퓨터과학과 연구팀도 파킨슨병 같은 퇴행성 뇌신경질환이나 뇌전증 같은 질병을 앓고 있는 환자를 치료하고 상시 모니터링할 수 있는 치료기술을 개발해 생체공학 분야 국제학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링’ 지난해 12월 31일자에 발표했다. 연구진이 개발한 ‘WAND’란 장치는 뇌의 128개 부위에서 발생하는 전기적 움직임을 모니터링하면서 비정상적 전류가 흐를 경우 이를 차단하거나 줄일 수도 있다. 실제로 히말라야 원숭이의 머리에 이 장치를 부착한 뒤 팔과 손의 움직임을 제어하는데 성공하기도 했다. 한국과학기술연구원(KIST) 관계자는 “최근 들어 뇌과학 분야에서 가장 빠르게 발전하고 있는 광유전학과 미세전기자극 기술이 결합돼 뇌신경질환자들을 치료할 수 있는 새로운 방법들이 속속 나오고 있다”며 “특히 광유전학 기술은 알츠하이머, 파킨슨병, 우울증, 불면증, 강박증, 기억상실, 거식증 등의 원인과 치료법 개발에도 널리 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

최근 들어 주의력결핍 및 과잉 행동장애(ADHD), 분노조절장애 등에 시달리는 사람들이 늘고 있다. 또 충동성으로 인한 각종 분노 범죄나 약물 중독 같은 일도 적지 않다. 많은 학자들은 이런 일의 근원을 찾는 데 몰두하는 가운데 국내 연구진이 이런 충동성 행동을 조절하는 신경회로를 처음으로 발견하는 데 성공했다. 고려대 생명과학과 백자현 교수팀은 동기, 학습, 감정에 관여하는 뇌의 편도체에서 도파민 관련 신경세포를 특이적으로 활성화시켜 충동성이 조절되는 것을 관찰했다고 28일 밝혔다. 이번 연구결과는 미국 국립과학원에서 발행하는 기초과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘PNAS’ 최신호(22일자)에 실렸다. 충동성은 심사숙고라는 과정 없이 결과에 대해 생각하지 않은 채 기분에 따라 즉각적으로 행동하려는 것으로 정의된다. 충동성이 심해질 경우 중독관련 질환, 인격장애, 충동조절장애 같은 여러 종류의 정신질환으로 이어질 수 있다. 실제로 한국의 경우 ADHD는 2010~2013년 3년 동안 3배 가까이 증가했고 미국에서도 최근 15년 동안 3배가량 증가했다. 또 국내에서는 분노조절장애로 진료받은 환자는 2015년 5390명, 2016년 5920명, 2017년 5986명에 이르는 것으로 나타났다. 연구팀은 유전자 조작 생쥐와 빛을 이용해 특정 세포의 활성을 조절하는 광유전학 방법을 이용해 뇌의 어떤 부위에서 충동적 행동을 조절하는지 분석했다. 그 결과 D2 도파민 수용체가 충동성 조절에 핵심역할을 한다는 것을 밝혀냈다. 도파민은 뇌신경세포의 흥분 전달물질로 운동, 인지, 동기 부여에 영향을 줘 D1~D5까지 다섯 종류가 있다. 실제로 생쥐실험을 통해 D2형 도파민 수용체가 부족한 생쥐는 충동적 행동이 증가한다는 것을 확인했다. 반면 도파민 관련 신경세포를 활성화시키면 D2형 도파민 수용체가 활발해져 충동적 행동이 70% 정도 감소된다는 것을 발견했다. 백자현 교수는 “이번 연구는 지금까지 밝혀지지 않았던 새로운 충동성 조절 신경회로를 규명했다는데 의미가 있다”며 “자기통제능력의 결여로 인한 중독, 인격장애, 분노조절 장애 같은 현대 사회에서 특이하게 나타나는 각종 정신질환의 치료 타겟을 정하는데 도움을 줄 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

아찔할 정도로 높은 곳에 올라가거나 길을 지나갈 때 갑자기 튀어나온 자동차와 마주치거나 골목에서 사납게 생긴 덩치 큰 개와 맞닥뜨렸을 때, 공포영화를 보다가 잔인한 장면이 나오면 자신도 모르게 ‘헉’하며 숨을 몰아쉬거나 눈을 가린 경험을 누구나 한 번쯤은 했을 것이다. 이런 행동은 ‘얼음’(freezing)이라고 부르는 공포 반응 중 하나다. 사실 포식자나 위험한 상황에 맞닥뜨렸다고 뇌가 판단할 경우 공포와 불안반응을 유발시키는 것은 생존을 위해 필수적인 기능이다. 더군다나 이는 배워서 터득하는 몸의 반응이 아니라 오랜 시간 진화를 통해 몸에 새겨진 일종의 선천적 반응이다. 과연 이런 타고난 공포반응은 어디서 유래되고 어떻게 나타나는 것일까. 카이스트 생명과학과 한진희 교수와 대구경북과학기술원(DGIST) 부설 한국뇌연구원 뇌신경망연구부 박형주 박사 공동연구팀이 동물이 보이는 공포에 대한 선천적 반응을 유발시키는 뇌신경회로와 메커니즘을 규명했다고 7일 밝혔다. 이번 연구결과는 기초과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 최신호에 실렸다. 선천적 공포반응은 생존에 도움을 주지만 극도의 스트레스나 생존에 지속적인 위협이 가해질 경우 공포회로에 이상이 생기면서 공황장애, 외상후 스트레스 장애(PTSD) 같은 신경질환을 앓게 된다. 많은 연구자들이 이 같은 문제를 해결하기 위해 연구를 하고 있지만 정확한 신경회로를 아직 찾지 못하고 있다. 연구팀은 스트레스 반응을 조절하고 연산기능을 수행하는 전전두엽 피질(PFC)의 일부인 전측대상회 피질(ACC)을 주목했다. 전두엽이 학습을 통한 후천적 공포조절에 관여하고 있다는 사실은 밝혀졌지만 선천적 공포조절 기능에 대해서는 아직 알려진 바가 없다. 연구팀은 빛을 이용해 실시간으로 신경 활성을 조절하는 광유전학 기술을 활용해 생쥐의 전측대상회 피질을 자극했다. 생쥐를 잡아먹는 포식자 중 하나인 여우 냄새를 맡았을 때 활성화되는 부위를 빛으로 조절하는 실험을 한 것이다. 그 결과 전측대상회 피질 영역의 활성을 억제하자 선천적 공포 반응인 ‘얼음 반응’이 증폭됐고 활성을 높이자 공포반응이 감소하는 것을 발견했다. 특히 배외측 편도체핵(BLA)라는 부위가 공포 반응 유발에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다. 뇌연구원 박형주 박사팀은 전기 생리학 방법으로 전측대상회 피질과 배외측 편도체핵 연결망이 선천적 공포 조절 기능에 관여한다는 사실을 교차검증해 같은 결과를 얻었다.한진희 카이스트 교수는 “이번 연구결과는 공포반응을 유발시키는 뇌 속 핵심 신경회로를 발견했다는데 의미가 크다”며 “이번에 발견한 신경회로를 대상으로 하는 치료기술을 개발한다면 외상후 스트레스 장애 등 뇌신경질환으로 고통을 겪는 이들을 도울 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

우리는 흔히 ‘사회성이 좋다’, ‘사회성이 부족하다’는 이야기를 한다. 국립국어원 표준국어대사전은 사회성에 대해 ‘사회생활을 하려고 하는 인간의 근본 성질. 사회에 적응하는 개인의 소질이나 능력, 대인 관계의 원만성’으로 정의한다. 타인과 상호 작용을 잘 하기 위해서는 다양한 뇌기능이 사용된다. 뇌의 어떤 기능이 사회성에 영향을 주는 것일까.사회성과 관계된 것으로 먼저 알려진 뇌 부위는 이마 안쪽에 자리잡은 전두엽 중에서도 안구를 싸고 있는 ‘안와’ 바로 위에 있는 ‘안와 전두엽’이다. 안와 전두엽이 손상된 환자들은 충동적이고 사회적 규칙을 무시하며 다른 사람의 감정을 읽지 못해 반사회적 인격 장애와 같은 행동 양상을 나타내는 것으로 알려져 있다. 최근 바이오젠사의 애니어벤 고시 박사는 사회성 행동과 관련된 부위를 확장하고자 했다. 연구팀은 ‘화학유전학’이라는 첨단 연구 방법론을 활용해 전두엽을 활성화시켰을 때 오히려 사회성 행동이 감소하는 것을 발견했다. 대신 등쪽 시상에 위치한 ‘하베눌라’라는 뇌 부위가 사회성에 중요한 역할을 한다는 사실을 규명했다. 하베눌라의 뉴런을 억제하면서 전두엽을 활성화시키자 사회성 행동이 증가한다는 것을 발견했다. 한편 사회성을 조절하는 호르몬으로 ‘옥시토신’이 있다. 원래 옥시토신은 출산 후 모체의 뇌하수체 후엽에서 분비돼 자궁수축과 유즙분비 기능을 하는 것으로 알려져 있다. 최근 미국 스탠퍼드대의 로버트 말렌카 교수는 옥시토신의 기능이 ‘보상 회로’로 알려진 중뇌의 복측피개영역을 통해 일어난다는 사실을 발견해 사이언스지에 보고한 바 있다. 이들은 옥시토신이 작용하는 수용체가 보상 회로에 많이 존재한다는 점에 주목했다. ‘광유전학’을 활용해 옥시토신 수용체가 존재하는 뉴런을 선택적으로 자극하자 사회성 행동 반응이 현저하게 증가하는 것을 확인한 것이다. 옥시토신은 사회적인 의사소통을 인지하는 방식을 변화시키기도 한다. 중국과학원대 연구팀은 실험 대상자에게 몇 개의 점으로만 표시된 두 사람의 상호 작용을 나타내는 동영상을 보여 줬다. 한 종류는 서로 의사소통을 하는 모습이고, 다른 한 종류는 의사소통이 전혀 없는 모습을 모사한 것이었다. 그리고 실험 대상자에게 어느 쪽 동영상이 더 길었는지 묻자 실험 대상자는 의사소통을 하는 동영상이 더 짧다고 답했다. 사회적 상호작용 시간에 대해 짧게 느끼는 현상을 ‘시간 응축’이라고 한다. 연구팀은 시간 응축이 잘 일어나지 않았던 참가자에게 옥시토신을 투여하면 시간 응축이 촉진되고, 반대로 시간 응축이 잘 일어나던 참가자에게 옥시토신 길항제를 투여하면 시간 응축이 감소하는 것을 발견했다. 이는 옥시토신이 사회적 상호 작용을 인지하는 능력과 관련돼 있다는 것을 시사한다. ‘자폐스펙트럼 장애’는 사회적 상호작용에 어려움을 겪는 대표적인 질환이다. 일상생활 자체에 큰 걸림돌이 되는 안타까운 질환이다. 이런 문제점를 해결하기 위한 뇌과학적 근거가 차근차근 쌓이고 있다. 안타깝게도 아직까지는 임상 연구에서 뚜렷한 치료 효과를 거두지 못하고 있다. 하지만 이런 사회성이 ‘보상 회로’와 연결돼 있다는 점은 눈여겨볼 필요가 있다. 사회적 경험을 통해 기쁨을 느끼고 만족을 경험한다면 이런 회로들이 강화될 수 있다는 사실이다. 긍정적인 사회 경험이 다시 사회적 경험을 원하게 한다는 사실이 나를 포함해 사회성이 부족하다고 느끼는 모든 사람에게 희망적인 메시지가 되길 바란다.

영국과 미국, 포르투갈 연구진이 ‘행복 호르몬’으로 불리는 세로토닌이 학습에 도움을 준다는 연구결과를 발표해 주목받고 있다.영국 런던대 전산신경과학과, 막스플랑크-UCL 전산정신과학 및 노화연구소, 미국 캘리포니아공과대(칼텍) 인문사회학부, 포르투갈 챔팔리모드 연구소 공동연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 세로토닌이 학습능력은 물론 학습속도를 높이는데 도움을 준다는 연구결과를 기초과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 26일자에 발표했다. 세로토닌은 혈관벽이 손상되면 혈소판에서 분비돼 혈액을 응고시키고 혈관벽을 수축시켜 출혈을 막는 물질이다. 혈관 뿐만 아니라 뇌 시상하부, 대뇌기저핵 같은 중추신경계에도 존재하면서 신경전달물질로 작용한다. 스트레스를 받을 경우 세로토닌 분비가 줄어들어 우울감과 좌절감을 느끼게 되고 세로토닌 농도가 높아지면 행복감, 만족감이 높아지는 것으로 알려져 흔히 ‘행복 호르몬’이라고 부르기도 하며 우울증을 치료하는데 활용하려는 시도들이 있다. 연구팀은 8마리 생쥐를 대상으로 4마리는 뇌에 LED 전극을 심어 빛을 쬐어주면 세로토닌이 분비되도록 한 광유전학 장치를 하고 나머지 4마리에는 아무런 장치를 하지 않았다. 연구팀은 8마리를 대상으로 다양한 형태의 보상 실험을 실시하면서 인공지능(AI)의 기계학습에서 활용되는 강화학습 원리를 바탕으로 컴퓨터가 쥐의 행동을 기록하도록 했다. 연구팀은 실험 과정 내내 LED가 심어져 있는 생쥐에게는 끊임없이 세로토닌을 분비하도록 자극을 줬는데 일반 생쥐에 비해 실패에서 배우는 속도가 2~3배 가량 빠르고 새로운 문제 상황을 빠르게 적응하고 인식한다는 사실을 확인했다. 기요히토 리가야 칼텍 박사는 “이번 연구는 행복감이 학습능력과 속도에도 영향을 미친다는 사실을 보여주는 것”이라며 “우울증 치료에 있어서도 단순히 약물 치료 뿐만 아니라 인지행동 변화를 통해 세로토닌이 분비될 수 있도록 병행치료하는 것이 도움을 준다는 사실을 알 수 있다”라고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

우리 뇌는 캄캄한 두개골 안에 갇혀 있지만 시시각각 외부환경을 파악하고 그에 적절한 반응과 전략을 명령하며 생명을 유지하는 사령탑 역할을 하고 있다. 이것은 오감(五感)이 있기 때문에 가능하다. 우리 몸의 감각기관인 눈, 귀, 코, 혀, 피부는 뇌가 외부 세상과 소통하는 창문과 같다. 이 가운데 피부는 어떻게 촉감을 감지하는 것일까. 피부에는 촉각 정보를 인지하는 네 가지 수용기가 있다. ‘메르켈 원반’은 가벼운 터치 등에 반응하며 적응이 느리다. ‘마이스너소체’는 느린 진동이나 미세한 감촉에 반응하는데 주로 털이 없는 손가락 말단이나 눈꺼풀에 존재한다. ‘루피니 말단’은 피부가 당겨지는 것을 감지하고, ‘파치니 소체’는 꾹 누르는 압력과 빠른 진동을 감지한다. 이런 다양한 촉감은 고속도로와 같은 척수를 통해 전달되고 감각 신호의 관문인 시상을 통과한 뒤 대뇌피질로 간다. 최근 표피 속 메르켈 세포가 외부 자극에 반응해 감각 뉴런에 신호를 전달한다는 사실이 밝혀져 촉감 발생 기전의 전통적인 개념이 변화하고 있다. 더 나아가 전체 표피 세포의 3~6%인 메르켈 세포 외에 표피의 94~97%를 이루고 있는 ‘각질형성세포’가 촉감 전달에 어떤 역할을 하지 않을까 의문을 갖는 연구자들이 생겨났다. 이와 관련해 체릴 스터키 위스콘신대 밀워키 캠퍼스 교수팀은 지난달 흥미로운 연구 결과를 발표했다. 그는 전신을 덮고 있는 피부세포 자체도 어떤 역할을 할 것이라는 가설을 세우고 정교한 실험을 계획했다. 먼저 광유전학을 이용해 각질형성세포의 활성을 억제하자 놀랍게도 실험동물의 촉각 반응이 감소했다. 연구팀은 각질형성세포가 분비하는 ‘ATP’라는 물질이 감각 반응을 유발한다고 밝혔다. ATP가 신경세포 외벽에 있는 ‘P2X4’라는 단백질 수용체에 달라붙어 신경신호를 유발한다는 사실까지 규명했다. 단순히 외부 환경으로부터 방어하는 장벽 역할만 하는 줄 알았던 각질형성세포가 촉감 생성의 주역임이 밝혀진 것이다. 통증이나 가려움증 같은 증상을 국소적인 치료로 개선할 수 있는 방법을 열어준 것이다. 촉각이 뇌와 상호작용하는 범위는 상당히 넓다. 데이비드 린든 미국 존스홉킨스대 교수는 그의 저서 ‘터치: 손, 마음, 정신의 과학’에서 촉각과 관련한 유전자, 세포, 신경회로가 인간 고유의 경험을 창조해낸다고 했다. 그는 다음과 같은 촉각의 특징과 의미를 설명했다. 촉각을 처리하는 경로는 첫째 접촉 정보를 전달하는 감각 경로다. 진동, 압력, 위치, 섬세한 결 등을 전달하는 것이다. 두 번째는 사회적, 감정적 정보를 처리하는 경로다. 이를 통해 감정적 의미를 해석해 사회적 유대감, 쾌락, 통증과 연관된 부위를 활성화시킨다. 촉각의 독특한 측면은 감정적 맥락이 촉각 경험 자체를 바꾸기도 한다는 점이다. 누군가 어깨에 손을 올리면 상대가 친한 친구인지, 연인인지, 싫어하는 사람인지에 따라 느낌이 다르다는 것을 쉽게 알 수 있다. 우리는 어떤 사실이나 경험을 현실감 있게 느꼈을 때 ‘피부에 와닿는다’는 표현을 쓴다. 보고 듣는 것보다 우리 피부에 와닿을 때 비로소 진짜로 느끼게 된다. 촉각은 우리 신체와 외부 세상이 만나는 방법 중 가장 큰 인터페이스다. 오감 중에 중요하지 않은 것이 하나도 없지만 우리 뇌가 가장 현장감 있는 판단을 할 때 촉각이 빠져서는 안 되는 이유가 여기에 있다. 깜깜한 두개골 속 뇌가 현장에서 송신하는 촉각을 민감하게 느낄 때 개인도 사회도 현명한 판단을 할 수 있으리라 믿는다.

실험참가자 회상시 동일부분 활성 특정 세포 자극 개별기억 분석까지 새해가 시작되면 지난 한 해를 되돌아보고 새로운 계획을 세우거나 못다 이룬 목표를 달성하겠다고 결심합니다. 사실 지난해를 되돌아 본다고 해서 365일 일어난 모든 사건들을 기억해내지는 못합니다. 어떤 기억은 방금 일어났던 일처럼 또렷하지만 그런 일이 있었나 싶을 정도로 까맣게 잊는 경우가 더 많지요.같은 상황을 겪은 지인들과 이야기를 하다 보면 같은 상황에 대해서도 서로 다른 해석을 내놓거나 전혀 다른 기억을 갖고 있는 경우가 있어 당황할 때가 종종 있습니다. 미국 존스홉킨스대 뇌과학과 제니스 첸 박사는 사람들에게 영국 BBC에서 방송한 인기 드라마 ‘셜록’ 시즌1의 한 에피소드를 함께 보도록 한 뒤 특정한 장면을 회상해 설명하는 실험을 해 ‘네이처 뉴로사이언스’에 발표한 적이 있습니다. 실험 결과, 사람들마다 똑같은 장면을 다르게 기억하고 해석한다는 사실이 밝혀졌습니다. 첸 박사는 실험 대상자들이 기억을 되살리며 설명하는 동안 뇌를 자기공명영상(MRI)으로 촬영했는데 서로 다른 기억과 해석을 내놓기는 하지만 똑같은 영역이 비슷하게 활성화된다는 사실도 확인됐습니다. 최근 10년간 신경과학 분야와 영상진단 기술이 발달하면서 개별 기억들이 어떻게 만들어지고 다른 기억들에 영향을 주는지에 대한 기본 법칙을 밝히려는 시도들이 많아지고 있습니다. 어느 정도 성과도 거두고 있지요. 세계적인 과학저널 ‘네이처’는 지난 10일자에 이 같은 기억 연구의 동향에 대해 자세한 분석 기사를 실었습니다. 네이처에 따르면 지금까지 연구는 기억과 관련된 뇌의 위치나 일반적인 기억 형성 메커니즘을 찾는 데 집중됐지만 최근 들어서는 ‘하나’의 개별 기억을 추적하는 연구가 붐을 이루고 있다고 합니다. 흔히 기억이란 정보를 단순히 모아놓는 주머니나 저장이라고 생각하기 쉽습니다. 그렇지만 기억은 뇌의 한 영역에만 국한되지 않는 고도의 분산과 융합 과정이라고 합니다. 개별 사건들이 뉴런을 자극시켜 비슷한 기억들을 불러내 융합되면서 새로운 기억을 형성하고 강화한다는 것입니다. 그렇기 때문에 특정 기억 하나만을 ‘콕’ 집어서 추적하는 것은 쉽지 않은 일이었습니다. 최근에는 빛으로 특정 신경세포만 자극해 연구할 수 있는 광유전학 기술과 영상진단 및 인공지능(AI)을 통한 분석기술이 발전하면서 개별 기억만 골라내 분석하는 것이 가능해지고 있다고 합니다. 그 덕분에 하나의 기억이 어떻게 상호작용해 시간에 따라 변화하는지까지 추적할 수 있다고도 하네요. 이렇듯 뇌과학의 발달과 기억의 비밀이 하나하나 풀려가면서 나이가 들거나 질병을 앓았을 때 왜 기억력이 떨어지는지, 범죄 수사과정에서 증인의 기억이 어떻게 왜곡되는지도 밝혀낼 수 있을 것입니다. 결국 학습 효율을 높이고 기억력을 증진시킬 수 있는 방법을 찾아내겠지요. 러시아 출신의 세계적인 신경심리학자 알렉산드르 루리야 박사가 만난 ‘모든 것을 기억할 수 있는 남자’ 솔로몬 셰레셰브스키의 삶을 보면 많은 것을 기억하고 있는 것이 결코 축복이 되지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 망각하는 능력이 없어 과거의 현실이 눈앞에 생생하게 펼쳐졌던 셰레셰브스키는 몽상에 빠져 살다가 결국 정신병원에서 생을 마감했다고 합니다. 학생이나 기억하는 것보다는 잊는 것이 많아지는 나이대의 사람들에게는 그런 무한한 기억력이 부럽기는 할 것입니다. 그렇지만 곰곰이 생각해 보면 적당히 기억하고 적당히 잊을 수 있다는 것이 행복의 지름길이 아닐까 싶기도 합니다. edmondy@seoul.co.kr

韓-中 공동연구진, 만성통증 도파민 신경회로 이상발견우울증 등 정서질환 치료 가능성 높여 갑작스러운 운동이나 육체노동으로 발생한 급성통증과 달리 6개월 이상 지속적으로 같은 부위에 통증이 지속되는 경우를 만성통증이라고 한다.만성통증을 겪는 사람 대부분은 공통적으로 병원에 가더라도 ‘이상이 없다’는 진단을 받거나 진통제 같은 대증적 치료로 끝나는 경우가 많다고 입을 모은다. 만성통증은 불면증, 식욕저하, 피로감 등 정신적 문제까지 동반하며 심할 경우 우울증을 불러일으키기도 한다. 한국과 중국 공동연구진이 뇌가 만성통증을 조절하는 메커니즘을 새로 밝혀내 주목받고 있다. 한국뇌연구원 뇌질환연구부 구자욱 책임연구원과 중국 쉬저우 의대 준리 카우 교수 공동연구팀은 뇌의 중변연계 보상회로 시스템이 통증 감각을 조절한다는 사실을 밝혀냈다. 이번 연구는 신경과학 분야 국제학술지 ‘생물 정신의학’ 최신호에 실렸다. 연구팀은 생쥐에게 만성통증을 유발시킨 뒤 광유전학적 방법으로 실험한 결과 뇌의 중변연계 시스템에 있는 도파민 신경세포와 뇌성장단백질(BDNF)가 통증을 느끼는 ‘통각조절’에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀냈다. 광유전학은 빛을 이용해 원하는 뇌 부위나 신경세포를 활성화하는 최신 생물학 연구분야다. 중변연계는 뇌에서 보상을 담당하는 핵심 부위로 도파민은 뇌 신경세포간 흥분신호를 전달할 때 분비되는 물질로 주로 보상이나 쾌락과 관련한 흥분 신호를 매개한다.연구팀은 생쥐실험을 통해 통증이 유발될 때마다 도파민 신경세포가 활성화되는 것을 확인했다. 또 뇌 중변연계에서 BDNF 생성이 증가하면서 통증 관련 도파민 신경세포가 활성화된다는 것을 발견했다. 즉 중변연계 회로에서 BDNF 단백질을 제거하면 통증이 완화된다는 것이다. 구자욱 박사는 “이번 연구는 뇌에서 만성 통증의 조절 시스템을 구체적으로 규명했다는데 큰 의미가 있다“며 ”통증 조절 뿐만 아니라 만성통증에 동반되는 우울증 같은 정서질환을 치료할 수 있는 약물이나 새로운 치료기술을 개발하는데도 기여할 수 있을 것“이라고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

인간의 뇌는 약 860억개의 신경세포로 이뤄져 있다. 올해 세계 인구가 75억명이라고 하니 우리 뇌에는 세계 인구의 12배에 가까운 신경세포가 살고 있다는 의미다. 이렇게 많은 뉴런이 어떻게 조직화돼 감각, 운동, 사고, 감정을 통합해 기능하는지 불가사의한 일이다. 1920년대 독일 예나대의 정신과 의사인 한스 베르거는 세계 최초로 인간의 뇌에서 일어나는 전기적 작용을 실시간으로 기록하는 ‘뇌파 측정기’를 개발했다. 후두엽에서 생기는 ‘알파파’, 깊은 수면 중 발생하는 ‘델타파’와 렘수면에서 생기는 ‘세타파’, 각성 시기에 뚜렷한 ‘베타파’, 선택적 집중 과정에 나타나는 ‘감마파’에 이르기까지 다양한 뇌 활동의 리듬이 밝혀졌다. 여기서 감마파 영역의 뇌 활동은 인지기능뿐만 아니라 여러 가지 정신질환과도 관련돼 있어 주목할 만하다. 감마파는 대뇌피질의 ‘억제성 신경세포’와 ‘흥분성 신경세포’의 상호작용에서 발생하며, 특히 억제성 신경세포의 기능이 떨어질 때 생성 능력이 감소한다. 뇌 과학은 억제성 신경세포가 정상적으로 작동해야 뇌세포들이 일제히 억제되고 일제히 활성화되는 동기화가 가능하다는 사실을 밝혀냈다. 필자는 이런 관점에서 전두엽 아래쪽의 ‘기저전뇌’에서 특정 억제성 세포군이 대뇌피질의 감마파를 조절하는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 밝혀낸 바 있다. 오케스트라처럼 대뇌피질의 신경세포가 리듬을 이뤄 작동하도록 돕는 ‘지휘자 신경세포’가 존재하는 것이다. 미국 매사추세츠공대(MIT) 리후에이 차이 박사팀은 최근 ‘광유전학’을 이용해 치매 치료 가능성을 실험했다. 기억을 담당하는 ‘해마’ 부위의 억제성 신경세포에 빛에 반응하는 단백질 ‘채널로돕신’을 발현시킨 뒤 40㎐의 빛으로 자극을 준 것이다. 예상대로 뇌파에서 40㎐의 리듬이 증가하는 소견이 발견됐고, 치매 유발물질로 알려진 ‘아밀로이드 베타’ 단백질은 유의미하게 감소했다. 더 흥미로운 사실은 뇌 속에서 이물질을 제거하는 ‘미세아교세포’가 함께 활성화됐고 이 세포가 다량의 아밀로이드 베타 단백질을 포식하고 있는 것이 포착된 것이다. 연구팀은 여기서 멈추지 않고 외부 조명으로 40㎐의 뇌파 리듬을 주면 어떤 결과가 나오는지 실험해 보기로 했다. 실험 생쥐를 40㎐로 깜빡이는 조명을 설치한 상자 안에 두고 하루 1시간씩 일주일간 노출시키는 실험을 수행했다. 이 실험에서도 같은 결과가 나왔다. 아직 낙관하기에는 이르지만, 뇌 리듬을 활용해 치매를 비롯한 신경정신과 질환의 치료에 한 걸음 다가갈 수 있는 가능성을 엿본 것이다. 뇌파 리듬은 사람과 첨단 공학기술을 연결해 주는 매개체로 이용되기도 한다. 즉, 뇌파 리듬을 분석해 어떤 행동을 하려는지, 어떤 말을 하려는지 미리 알아낼 수도 있다. 이런 기술을 응용해 뇌와 기계 또는 뇌와 컴퓨터를 직접 연결해 작동시키는 첨단 기술이 개발되고 있다. 드라마나 영화에서 심전도가 1자를 그리면서 ‘삐’ 소리를 내는 장면으로 죽음을 표현하는 것을 흔히 본다. 하지만 심전도가 정상이라도 뇌파가 리듬을 보이지 않고 일자를 그린다면 의학적으로는 뇌사의 증거로 판단한다. 어쩌면 우리는 삶과 죽음을 구별하는 중요한 단서를 리듬에서 찾고 있는지도 모른다. 리듬은 ‘시간’이라는 변수와 ‘반복성’을 주요 요소로 갖고 있다. 다시 말해 시간 축을 향한 반복적인 활동이 바로 건강의 지표일 수 있는 것이다. 우리의 심장과 뇌가 그러하듯 외부 조건의 변화에도 리듬을 잃지 않고 조화롭게 반응할 수 있을 때 비로소 건강하다 할 수 있음을 잊지 말아야 하겠다.

우리는 모두 기억 속에서 살고 있다. 현재의 나를 과거의 시간과 이어 주는 것이 바로 기억이다. 기억이 없다면 우리는 단 하루도 제대로 살아갈 수가 없다. 그렇다면 기억은 우리의 뇌 어디쯤에 기록되고 저장되는 것일까. 또 이런 과정은 어떻게 일어나는 것일까. 영국 유니버시티칼리지런던(UCL)의 존 오키프 박사는 실험쥐가 특정 구역에 갈 때 ‘해마’라는 뇌 부위의 세포가 활발하게 활동하는 현상을 발견했다. 그는 이 세포를 ‘위치 세포’라고 명명했고, 공간 기억을 형성하는 주요 세포라는 사실을 규명한 공로로 2014년 노벨 생리의학상을 받았다. 최근 이 위치세포가 단순히 위치뿐만 아니라 맥락을 기억하는 데 중요한 역할을 한다는 사실도 밝혀졌다. 미국 매사추세츠공대(MIT)의 도네가와 스스무 교수는 ‘광유전학’이라는 뇌과학 방법론을 활용해 맥락기억에 대해 흥미로운 실험 결과를 발표했다. 먼저 A 장소를 기억하는 위치세포를 외부의 빛으로 활성화할 수 있도록 광유전학적으로 조작한 쥐를 B 장소로 옮겼다. 이곳에서 빛자극을 통해 A 장소 위치세포를 활성화시킴과 동시에 발판에 약 1초간 약한 전류를 흘려줘 깜짝 놀라게 했다. 이렇게 학습된 실험쥐는 놀랍게도 전류로 인해 놀랐던 곳을 A 장소로 잘못 기억해 A 장소를 회피하고 오히려 B 장소를 선호하는 모습을 보였다. 이 실험은 해마의 위치세포가 맥락을 기억하는 데에도 기여하며, 기억의 오류가 발생할 수 있음을 시사한다. 스스무 교수는 호주에서 있었던 한 사건을 이 실험과 비교해 설명했다. 한 여성이 집에서 텔레비전을 보다가 강도에게 성폭행을 당했다. 이 여성은 한 정신과 의사를 범인으로 지목했다. 하지만 재판 과정에서 그 정신과 의사는 피해 여성이 보고 있던 텔레비전에 생방송으로 출연 중이었던 것으로 밝혀졌다. 충격적인 사건과 동시에 발생한 다른 사건이 기억을 재생할 때 오류를 일으킨 것이다. 이 사건과 도네가와의 실험은 잘못 기억하는 것이 가능하다는 것을 보여 준다. 미국 LA캘리포니아대(UCLA)의 알치노 실바 교수는 기억이 저장될 때 뇌세포와 뇌세포를 연결하는 구조물인 특정 ‘시냅스’에 배정된다고 주장했다. 기억이 무작위로 저장되는 것이 아니라 사건의 사실·느낌·소회, 사물의 색깔·모양·재질·용도 등이 각각 다른 세포, 다른 시냅스에 저장된다는 것이다. 우리의 뇌 속에는 약 1000조 개의 시냅스가 존재한다고 한다. 천문학적인 숫자이지만 ‘한정된 시냅스가 우리 일생의 기억을 담아내기에는 부족하지 않을까’라는 생각이 들 수도 있다. 그러나 70년이라는 기간을 ‘초 단위’로 환산하면 약 22억 초이고 1초에 50만 개의 시냅스가 할당되는 셈이니 기억을 저장한 시냅스가 부족할 일은 없을 것 같다. 뇌과학자들은 놀라운 뇌의 잠재력에 주목하지만 한편으로는 우리의 기억이 완전하지 못하다는 사실에 더 놀라기도 한다. 하지만 분명한 것은 기억을 바탕으로 우리는 매 순간을 살아가고 있다는 점이다. 우리의 뇌는 새로운 시냅스를 만들어 내기도 하고 제거하기도 하면서 기억할 건 기억하고 잊을 건 잊으면서 하루하루 살아가도록 균형을 잡아 주고 있다. 치매, 우울증, 각종 중독이나 자폐증에 이르기까지 뇌 질병은 기억 기능의 문제와 깊숙이 연관돼 있음을 잊지 말아야 한다. 기억에 관한 연구로 노벨 생리의학상을 수상한 에릭 캔들은 이런 말을 남겼다. “삶은 모두 기억이다. 너무 빨리 지나가서 잡을 수 없는 현재의 한순간을 제외하면 말이다.”

과학자들이 쥐의 뇌에 특정 이미지를 인위적으로 이식하는 연구에 성공했다. 이제 인간의 마음과 기억, 행동을 마음대로 제어할 수 있는, 즉 ‘마인드 콘트롤’ 직전에 왔다는 전망이 제기되고 있다. 영국 일간 익스프레스 15일자 보도에 따르면, 미국 컬럼비아대 연구팀은 한 줄기의 레이저 빛으로 쥐의 뇌세포를 ‘재프로그래밍’함으로써 해당 쥐가 이전에 전혀 알지 못했던 이미지나 기억을 갖게 하는 데 성공했다. 이전 연구에서는 이 기술로 시각과 청각에 장애를 가진 쥐의 시력과 청력을 회복시킨 것은 물론 쥐의 특정 세포 덩어리를 자극해 이전에 보였던 비정상적이고 공격적인 행동 문제를 없앨 수 있었다. 특히 이 같은 연구는 광유전학 도구들을 사용함으로써 쥐의 두개골을 열어야 하는 위험을 감수하지 않고도 쥐의 뇌를 실험할 수 있었다는 것에 의의가 크다. 연구팀은 빛에 민감한 일부 단백질을 특정 세균 속에 집어넣어 목표가 되는 뇌 세포들에 침투시킨 뒤 레이저를 사용해 해당 뇌 세포를 활성화시킬 수 있었다. 이에 대해 연구를 이끈 루이스 카릴로-레이드 박사는 “이같이 살아있는 뇌의 활동을 쓰고 읽는 방법은 신경과학과 의학에 큰 영향을 미칠 것으로 여겨진다”고 말했다. 또한 이번 연구에 참여한 라파엘 여스트 교수는 이 연구는 뇌가 기존 생각보다 훨씬 더 많이 유연성이 있다는 것을 보여준다고 말했다. 그는 “난 항상 뇌가 가장 유연하지 못하다고 생각했지만, 이 결과를 보고 난 뒤 그게 아니라는 것을 알았다”면서 “우리는 끊임없이 배우고 변화하는 유연한 컴퓨터를 다루고 있는 셈”이라고 말했다. 이어 “만일 당신이 1년 전 내게 ‘우리가 1억 개의 뉴런을 가진 쥐의 뇌에서 20개의 뉴런을 자극해 그들의 행동을 바꿀 수 있다’고 말했다면 난 ‘방법은 없다’고 말했을 것”이라면서 “이는 해변에서 모래 세 알을 재구성하는 것과 같다”고 덧붙였다. 이제 연구팀은 이 연구가 성공적으로 적용할 수 있는 범위를 측정하기 위한 행동 연구를 진행한다. 이번 연구성과는 세계적 학술지 ‘사이언스’ 최신호(12일자)에 실렸다. 사진=ⓒ afxhome / Fotolia 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

뇌과학에 대한 관심이 어느 때보다 뜨겁다. 3년 전 미국 버락 오바마 대통령은 뇌연구 법안 ‘브레인 이니셔티브’를 발표해 뇌과학 연구 붐을 일으켰다. 우리나라도 지난 5월 미래창조과학부에서 ‘뇌연구 신흥강국 도약’을 목표로 향후 10년간 총 3400억원 규모의 신규 재정을 투입할 계획이라고 밝힌 바 있다. 뇌가 아직 미지의 영역이라는 점과 뇌과학의 발전을 통해 얻을 수 있는 잠재적 효과가 클 것이라는 기대감이 이런 흐름을 이끌어 가고 있다. 인류의 문명이 인간의 작은 뇌에서 비롯됐다는 것을 생각할 때 뇌과학의 발전이 가져올 사회·경제·군사·의학적 영향은 무궁무진하다고 할 것이다. DNA를 발견했던 프랜시스 크릭은 18세기 말 마치 예언처럼 이런 말을 남겼다. “현재 뇌과학이 당면한 중대한 문제는 뇌 안의 다른 세포에는 아무 영향을 주지 않으면서 한 종류의 세포만 조절할 수 있는 방법이 없다는 것이다.” 뇌 안에는 다양한 종류의 세포들이 얽혀 있어 한 종류의 세포만을 선택적으로 조절하는 것이 사실상 불가능했다. 그런데 ‘광유전학’의 등장으로 이런 문제가 조금씩 풀리고 미지의 영역이 서서히 밝혀지고 있다. 원래 인체에도 빛에 반응하는 세포가 존재한다. 눈에 있는 ‘원추세포’와 ‘간상세포’가 그렇다. 이들 세포가 빛에 반응하는 것은 ‘포톱신’이나 ‘로돕신’ 같은 광감수성 단백질 ‘옵신’이 존재하기 때문이다. 그럼 뇌세포를 선택적으로 조절하기 위해 이런 광수용체를 신경세포에 달아 주면 어떨까? 재미있는 아이디어이지만 인체에 존재하는 광수용체는 1000분의1초 단위의 정밀한 조절을 하기에는 다소 느리다. ‘필요는 발명의 어머니’라고 했지만 ‘발견의 어머니’이기도 한가 보다. 뜻밖에도 연못 안에 답이 있었다. 연못에 자라는 녹조류의 일종인 ‘클라미도모나스’에서 우연히 ‘채널로돕신’이라는 옵신이 발견됐다. 이것은 양이온 채널과 연결돼 있어 빛을 비추면 빠른 속도로 양이온 채널을 개방하는 성질을 갖고 있었다. 채널로돕신을 신경세포에 발현시킨 뒤 빛을 비추면 인위적으로 신경세포의 활성을 조절하는 게 가능해질 것이라는 생각에 이르렀다. 자, 이제 채널로돕신을 신경세포에 발현시키기만 하면 된다. 신경세포에 채널로돕신을 발현시키는 것은 ‘분자생물학’을 활용해 가능하게 됐다. 원하는 유전자를 세포에 발현시키기 위해 바이러스를 사용하는 방법은 이미 널리 사용되고 있었다. 병을 일으키지 않는 무해한 바이러스에 채널로돕신 유전자를 삽입한 뒤 바이러스를 동물의 뇌에 주입하면 바이러스의 습성에 따라 세포에 침투하면서 해당 유전자를 세포 안으로 들여보내게 된다. 이런 방법으로 채널로돕신 유전자가 세포 내로 들어가면 세포 스스로 채널로돕신을 생산하기 시작하고, 생산된 채널로돕신은 세포 표면에 위치하게 돼 빛만 비추면 반응할 준비가 되는 것이다. 하지만 모든 세포가 채널로돕신을 가지고 있다면 특정 세포 유형만을 조절하겠다는 당초 목표는 성취할 수 없게 된다. 따라서 분자생물학적 기법으로 채널로돕신이 특정 종류의 세포에서만 발현되도록 유전자를 설계하는 것이 필요하다. 이것이 광유전학의 기본 개념이다. 뇌과학의 관심이 고조되고 있다. 광유전학은 어쩌면 우리가 감당할 수 없는 강력한 뇌조절 기법일지도 모르겠다. 인류가 앞으로 뇌과학을 어떤 방향으로 이끌어 갈지 걱정과 기대가 함께 다가온다. 일단 조절 능력을 가지게 되면 ‘어떻게 조절해야 하는가’라는 매우 어려운 숙제가 시작되는 것이다. 뇌과학 기술의 개발뿐만 아니라 이러한 흐름에 대한 철학적, 윤리적 고민이 수반돼야 할 것이다. 하지만 이런 연구를 통해 질병의 기전을 이해하고, 질병으로 인한 고통을 덜고 좀더 건강한 삶을 영위하는 데 도움이 되는 뇌과학 기술은 계속 발전할 것이라고 기대해 본다.

영화 ‘터미네이터’에서 아널드 슈워제네거가 연기한 로봇 ‘T800’은 금속 뼈대 위에 사람과 똑같은 형태의 인공 피부가 덮인 형태였다. 피부 속 인공 근육이 기계와 연결돼 있어 사람처럼 자연스럽게 움직이는 모습을 보인다. 한국과 미국 공동 연구진이 이렇게 생물체의 세포와 금속, 고분자 물질을 결합시켜 외부 전원이나 모터 없이도 움직일 수 있는 바이오 로봇을 세계 최초로 개발했다. 이번 기술을 활용하면 머지않아 사람과 비슷한 움직임을 보이는 로봇이나 실제 팔다리와 똑같은 형태의 의족·의수도 만들 수 있을 것으로 전망된다. 이런 성과는 미국 하버드대 위스 생물공학연구소 박성진 박사와 케빈 킷 파커 교수, 서강대 화공생명공학과 최정우 교수 등이 참여한 스탠퍼드대, 서강·하버드 질병바이오물리연구센터 국제공동연구진에 의해 이뤄졌다. 연구진은 생쥐의 심장세포를 이용해 동전 크기만 한 가오리 모양의 바이오 로봇을 개발하는 데 성공하면서 세계적인 과학저널 ‘사이언스’ 8일자 표지논문을 장식했다. 바이오 로봇은 생물체가 갖고 있는 세포나 근육 같은 부분과 기계가 부분적으로 결합된 로봇으로, 전 세계 많은 연구자들이 개발을 시도했지만 성공하지 못했다. 연구진은 고탄성 고분자물질 위에 금으로 만든 뼈대를 붙인 뒤 생쥐의 심장세포를 배양해 근육조직을 만들어 붙여 가오리 형태의 바이오 로봇을 만들었다. 가오리 로봇은 길이 16.3㎜, 무게 10㎎으로 동전만 한 크기다. 생쥐의 심장세포는 로봇에 이식되기 전에 광유전학 기술로 빛에 따라 수축, 이완할 수 있도록 유전자를 변형했다. 광유전학은 빛과 생명과학 기술을 이용해 신경세포나 근육의 활동을 조절하는 기술이다. 근육이 이식된 로봇은 빛의 강도에 따라 실제 가오리처럼 지느러미를 팔랑거리며 초당 2.5㎜의 속도로 움직인다. 실제 가오리 이동속도의 60~65% 수준에 해당한다. 또 가오리 로봇의 양쪽 지느러미에 비추는 빛의 양을 달리해 수축·이완 운동을 개별적으로 조절할 수도 있기 때문에 방향 전환도 가능하다. 일반 로봇은 전기나 모터 같은 동력원이 있어야 하는데 가오리 로봇은 빛만으로도 자유롭게 움직일 수 있는 것이다. 박성진 박사는 “이번 연구는 광유전학 기술, 생체조직과 기계장치를 결합해 내부 동력기관 없이 자유롭게 움직이는 바이오 로봇 개발에 처음 성공한 것”이라며 “인공지능 기술과 결합시킬 경우 인간과 유사한 로봇 개발로 이어지고, 광유전학 기술을 활용한 바이오 센서 개발에도 도움을 줄 수 있을 것으로 본다”고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

영화 ‘터미네이터’에서 아널드 슈워제네거가 연기한 로봇 ‘T800’은 금속 뼈대 위에 사람과 똑같은 형태의 인공 피부가 덮인 형태였다. 피부 속 인공 근육이 기계와 연결돼 있어 사람처럼 자연스럽게 움직이는 모습을 보인다. 한국과 미국 공동 연구진이 이렇게 생물체의 세포와 금속, 고분자 물질을 결합시켜 외부 전원이나 모터 없이도 움직일 수 있는 바이오 로봇을 세계 최초로 개발했다. 이번 기술을 활용하면 머지않아 사람과 비슷한 움직임을 보이는 로봇이나 실제 팔다리와 똑같은 형태의 의족·의수도 만들 수 있을 것으로 전망된다. 이런 성과는 미국 하버드대 위스 생물공학연구소 박성진 박사와 케빈 킷 파커 교수, 서강대 화공생명공학과 최정우 교수 등이 참여한 스탠퍼드대, 서강·하버드 질병바이오물리연구센터 국제공동연구진에 의해 이뤄졌다. 연구진은 생쥐의 심장세포를 이용해 동전 크기만 한 가오리 모양의 바이오 로봇을 개발하는 데 성공하면서 세계적인 과학저널 ‘사이언스’ 8일자 표지논문을 장식했다. 바이오 로봇은 생물체가 갖고 있는 세포나 근육 같은 부분과 기계가 부분적으로 결합된 로봇으로, 전 세계 많은 연구자들이 개발을 시도했지만 성공하지 못했다. 연구진은 고탄성 고분자물질 위에 금으로 만든 뼈대를 붙인 뒤 생쥐의 심장세포를 배양해 근육조직을 만들어 붙여 가오리 형태의 바이오 로봇을 만들었다. 가오리 로봇은 길이 16.3㎜, 무게 10㎎으로 동전만 한 크기다. 생쥐의 심장세포는 로봇에 이식되기 전에 광유전학 기술로 빛에 따라 수축, 이완할 수 있도록 유전자를 변형했다. 광유전학은 빛과 생명과학 기술을 이용해 신경세포나 근육의 활동을 조절하는 기술이다. 근육이 이식된 로봇은 빛의 강도에 따라 실제 가오리처럼 지느러미를 팔랑거리며 초당 2.5㎜의 속도로 움직인다. 실제 가오리 이동속도의 60~65% 수준에 해당한다. 또 가오리 로봇의 양쪽 지느러미에 비추는 빛의 양을 달리해 수축·이완 운동을 개별적으로 조절할 수도 있기 때문에 방향 전환도 가능하다. 일반 로봇은 전기나 모터 같은 동력원이 있어야 하는데 가오리 로봇은 빛만으로도 자유롭게 움직일 수 있는 것이다. 박성진 박사는 “이번 연구는 광유전학 기술, 생체조직과 기계장치를 결합해 내부 동력기관 없이 자유롭게 움직이는 바이오 로봇 개발에 처음 성공한 것”이라며 “인공지능 기술과 결합시킬 경우 인간과 유사한 로봇 개발로 이어지고, 광유전학 기술을 활용한 바이오 센서 개발에도 도움을 줄 수 있을 것으로 본다”고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

여러 파장 빛으로 뉴런 자극 손상없이 신경세포 활동 조절 “인간의 뇌는 우리가 알고 있는 우주에서 가장 복잡한 세계다. 그런 복잡함 때문에 단순한 모델은 비현실적인 것이 되고 정확한 모델은 이해할 수 없게 된다.”(미국 듀크대 인지과학자 스콧 휴텔) 과학의 발달로 가장 작은 미립자의 세계에서 끝을 상상할 수 없는 광대한 우주까지 비밀이 속속 풀리고 있지만 여전히 과학계에 미스터리로 남아 있는 부분이 있다. 바로 ‘뇌’다. 뇌의 각 부분이 어떤 일을 하는지, 기억은 어떻게 이뤄지는지, 뇌질환은 어떻게 발생하는지 등 뇌의 비밀을 풀어내려는 뇌 과학자들에게 빛을 이용해 신경세포를 선택적으로 작동시킬 수 있는 ‘광유전학’이라는 새로운 도구가 주어졌다. 광유전학(optpgenetics)은 빛(opto)과 유전학(genetics)을 결합한 용어로, 뇌 신경세포를 빛에 반응할 수 있도록 유전적으로 조작해 세포의 생리를 연구하는 학문이다. 신경세포 중에 빛에 반응할 수 있는 광반응성 단백질이 발견되면서 시작됐다. 광유전학이 주목받는 이유는 ‘100세 시대’라 불릴 정도로 인간의 수명이 늘어나면서 뇌질환, 신경질환을 앓는 사람들이 함께 늘고 그에 따른 사회적, 경제적 손실이 커지고 있기 때문이다. 더군다나 기존에는 뇌를 연구하거나 치료하기 위해서는 외과수술을 통해 뇌의 일부분에 손상을 주거나 뇌에 칩을 심어 전기적 자극을 주는 등의 침습적 방식밖에 없었다. 광유전학은 신경세포를 손상시키지 않고도 정교하게 뇌 기능을 알아낼 수 있을 뿐만 아니라 뇌 신경 활동을 조절할 수 있다는 장점까지 갖추고 있다. 신경세포인 뉴런은 컴퓨터처럼 전기신호로 정보를 주고받는다. 막전위(膜電位)라고 부르는 세포 안팎의 전압 차로 생긴 전류가 뉴런을 자극하면 이웃한 뉴런에 신경전달물질을 내뿜어 정보를 전달하는 방식이다. 뉴런에 인위적인 전기 자극을 준다면 뇌 신경 회로를 마음대로 조정할 수도 있게 된다는 말이다. 광유전학은 서로 다른 파장의 빛으로 여러 신경세포의 활동을 조정할 수 있다는 것을 전제로 하고 있다. 2005년 미국 스탠퍼드대 연구진이 녹조류에서 추출한 ‘채널로돕신’이라는 단백질을 포유류의 신경세포에 심은 뒤 빛을 쬐이자 뉴런이 활성화되는 것을 확인한 것이 광유전학 연구의 시작이었다. 이후 생물학자들은 초파리와 꼬마선충, 생쥐 등을 이용해 광유전학 연구를 진행했다. 초파리는 광유전학 초창기에 시도된 동물이다. 과학자들이 유전자를 변형시켜 초파리에게 빛으로 작동하는 이온채널 단백질이 나타나도록 한 뒤 355㎚(나노미터) 파장의 레이저를 쏘자 초파리의 활동이 과다하게 활발해졌다. 빛이 초파리의 중추신경에 발현된 이온채널을 활성화시켜 통제할 수 없을 정도의 엄청난 전기신호들을 발생시켰기 때문이다. 광유전학 연구에서 가장 많이 쓰이는 동물은 ‘예쁜꼬마선충’이다. 성충의 몸길이도 1㎜에 불과한 이 선형동물은 생체 구조가 단순하고 수명이 3주에 불과하지만 유전자 조작이 쉽고 포유동물과 유사한 유전자들을 갖추고 있어 신경과학이나 노화 연구에 많이 활용된다. 생물학자들은 광유전자인 채널로돕신을 꼬마선충의 촉각신경세포에서 발현시킨 뒤 빛을 쬐여 주면 다양한 행동을 조정할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 이런 광유전학 기술을 이용하면 알츠하이머, 파킨슨 질환 같은 퇴행성 뇌질환, 우울증, 불면증, 강박증, 간질, 외상후스트레스장애(PTSD), 불안장애, 기억상실, 거식증 같은 정신질환의 원인과 치료법 개발, 암세포 및 암신호전달 연구 등에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 그렇지만 광유전학을 실제 사람의 치료에 적용하기 위해서는 빛에 반응하는 단백질이나 유전자를 원하는 신경세포까지 전달하는 기술과 두개골 속 깊숙한 곳에 위치한 신경세포를 빛으로 효과적으로 자극하는 방법을 찾아야 하는 두 가지의 숙제가 남아 있다. 이를 위해서는 뉴런과 뉴런이 어떻게 연결돼 있는지를 보여주는 정밀한 ‘뇌지도’가 필요하다. 한국과학기술연구원(KIST) 관계자는 “광유전학은 최근 뇌과학 분야에서 가장 빠르게 발전하고 있는 분야”라며 “광유전학 기술의 바탕이 되는 정밀한 뇌지도는 인간의 뇌 연구에 새로운 지평을 열어줄 수 있을 뿐만 아니라 새로운 형태의 인공지능과 로봇 시스템 개발에도 도움이 될 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

인슐린 유사물질↑… 노화 촉진 드라마 ‘대장금’을 보면 주인공 장금이 잠시 미각을 잃어 좌절하는 장면이 나온다. 만일 장금이 끝까지 미각을 되찾지 못했더라면 더 오래 살 수 있었을까? 다소 뜬금없어 보이는 이 질문에 답이 될 수 있는 재미있는 연구 결과가 나왔다. 음식의 영양소 외에 맛과 향도 수명에 영향을 준다는 것이다. 포스텍 생명과학과 이승재 교수팀은 맛과 냄새를 자극하는 감각신경 세포가 활발하게 작용하면 체내 인슐린 유사물질이 늘어나 노화 속도가 빨라지고 수명도 줄어든다는 사실을 처음으로 규명했다고 2일 밝혔다. 이번 연구 결과는 유전학 분야 국제학술지 ‘유전자와 발달’ 최신호 표지논문으로 실렸다. 연구팀은 ‘예쁜꼬마선충’이라는 선형동물을 이용해 감각신경계가 맛과 향에 어떻게 반응하는지 관찰했다. 성충의 몸길이가 1㎜에 불과한 예쁜꼬마선충은 생체구조가 단순하고 수명이 3주일로 짧지만 노화 조절 유전자가 포유동물과 같고 유전자 조작이 쉬워 노화 연구에 많이 활용된다. 이 동물은 외부 환경의 변화에 따라 수명이 최대 50%까지 바뀐다는 사실이 알려져 있지만, 어떤 요인이 수명에 영향을 미치는지는 정확히 밝혀지지 않았다. 연구팀은 예쁜꼬마선충의 먹이인 대장균에서 감각신경에 자극을 주는 화학물질만을 추출해 주입한 결과 맛과 향을 감지하는 신경세포가 자극을 받으면 인슐린의 일종인 ‘INS6’라는 호르몬의 분비가 증가하는 것을 발견했다. 이 호르몬은 수명 연장에 관여하는 것으로 알려진 ‘FOXO’ 유전자의 활동을 둔화시켜 노화를 촉진하고 수명을 단축시키는 것으로 나타났다. 연구진은 이에 더해 광(光)유전학 기술을 활용, 빛으로 맛과 향을 감지하는 신경세포를 자극할 경우에도 화학물질을 주입할 때와 같이 수명이 단축된다는 사실을 확인했다. 이 교수는 “이번 연구는 노화와 수명 조절 연구에 중요한 실마리를 제공했다는 데 의미가 있다”며 “광유전학 기술이 노화와 수명조절 기술로 활용될 수 있는 가능성도 제시했다”고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

먼 옛날 동부 아프리카에서 탄생한 인류의 조상은 대륙을 가로지르고, 바다를 건너 전 지구로 퍼져 나갔다.인류의 역사와 함께 시작된 이주(移住)는 오늘까지 계속되고 있다. 지금 이 순간에도, 지구상의 어딘가에서 어딘가로 사람들은 다양한 이유 때문에 무언가를 찾아 떠나고 있다. 기근이나 자연재해, 전쟁과 학살을 피해 고향을 떠나기도 하고 정치적, 종교적, 경제적인 이유 때문에 새로운 땅을 찾아간다. 이유야 어찌 됐든 자발적 이주를 하는 이들이 원하는 것은 딱 한 가지다. 보다 나은 삶. 하지만 현실은 너무 가혹하다. 서울 홍익대 앞 대안공간 루프에서 열리고 있는 미디어 아티스트 최찬숙(39)의 개인전 ‘약속의 땅’은 이주가 전 지구적 차원에서 이뤄지며 많은 문제를 낳고 있는 상황에서 매우 의미 있게 다가온다. 영상물과 사운드, 인터랙티브 설치작업을 통해 작가는 오랜 시간 독일에서 지내며 겪은 이주자로서의 경험을 토대로 현대인이 겪는 이주에 관한 이야기를 풀어 놓는다. “지난 10여년간 독일 생활을 하면서 이주자로서의 삶과 독립적인 작업세계와 예술관을 가져야 하는 작가로서의 삶은 충돌의 연속이었다. 독일 사람들과는 다른 형태의 삶을 살면서 과연 물리적인 이동만으로 진정한 이주가 가능한지를 스스로 묻곤 했다”는 작가는 “이주의 개념을 ‘물리적 이주’와 ‘정신적 이주’의 두 가지 양상으로 나누고 둘 사이의 간극에서 다양한 방법으로 질문을 던져 봤다”고 설명했다. 타지에서 삶을 향유하지만 각자 기존의 삶을 고수하는 경우 사는 곳만 옮겨 왔을 뿐 삶 자체는 떠나오기 전의 모습 그대로다. 물리적 이주를 하고 정신적 이주를 하지 않은 상태다. 반대로 물리적 이주는 진행하지 않은 채 스스로 내적인 변화를 시도하며 정신적 이주를 하는 경우도 있다. 이런 복잡한 이야기를 풀어가는 도구로 작가가 선택한 것은 아이러니하게도 배기가스 조작 파문을 일으킨 자동차 제조회사 폭스바겐사의 공장투어 프로그램이다. 독일 볼프스부르크에 본사를 둔 폭스바겐사는 본사와 출고장을 하나의 거대한 테마파크로 조성했다. 자동차를 뜻하는 아우토(Auto)와 도시를 뜻하는 슈타트(Stadt)를 합쳐 ‘아우토슈타트’라 부르는 이곳에는 공장, 박물관, 고객센터, 출고장 등이 위치해 있다. 첨단기술의 메카를 방문한 고객은 회사의 역사를 체험하고 자신이 구매한 차량의 제조공정을 직접 볼 수도 있고, 색상선택과 같은 일정 부분에 참여한 뒤 공장에서 직접 차를 구매해 몰고 나올 수도 있다. 작가는 “거대한 테마파크는 인간 이동기술의 정점을 보여주기라도 하는 듯이 자신들이 보유한 기술의 완벽함을 자랑하는데 마치 블랙코미디를 보는 것 같았다”며 “비판적인 시각이 많이 담겼지만 폭스바겐 배기가스 스캔들을 예상한 것은 아니었다”고 말했다. 최 작가 외에 건축가, 사운드 디자이너, 과학자 등 다양한 분야의 전문가들이 협업해 만들어낸 전시는 다분히 실험적이어서 그 의도를 충분히 공감하기에는 어려움이 따른다. 물리적 이주와 정신적 이주의 충돌을 체험하도록 첨단이동기술의 상징인 아우토슈타트와 광유전학이라는 미래기술의 모습을 작업으로 풀어낸 전시는 매 시각 정각부터 20분 간격으로 진행된다. 15분 길이로 실제 아우토슈타트 투어가이드의 안내 멘트에 따라 각 코너에 비쳐지는 영상과 설치물들을 순차적으로 관람하도록 설계됐다. 아우토슈타트의 첨단시스템과 마케팅 전략, 보유기술의 목적과 효과 등에 대해 설명하는 투어가이드의 음성은 전시장 투어가 진행될수록 점점 더욱 단호해지고, 그럴수록 혼란과 충돌의 골은 깊어진다. 지하층으로 내려가면 영상이미지들은 화려한 구조적 이미지로 변하고 강렬한 조명이 그 이미지들을 순차적으로 지워버린다. 그리고 남은 것은 빈 공간이다. 그렇게 찾아 헤매던 ‘약속의 땅’이 그런 모습일지도 모른다. 최찬숙 작가는 설치, 음향, 비디오, 회화, 사진, 드로잉 등 다양한 장르를 아우르는 미디어 아티스트로 성곡미술관의 ‘2012 내일의 작가’로 선정된 바 있다. 대안공간 루프가 주관하고 한국문화예술위원회, 독일 알리안츠 문화재단과 라이프치히 사단법인 할레14가 지원하는 전시는 오는 18일까지 열린다. (02)3141-1377. 글 사진 함혜리 선임기자 lotus@seoul.co.kr

중증의 건망증이나 치매 또는 사고로 인한 기억상실 증상을 보이는 환자에게 희소식이 될 만한 연구결과가 공개됐다. 최근 매사추세츠공과대학교(이하 MIT) 연구진은 쥐를 이용한 실험에서, 광유전학적 빛(광펄스)을 이용해 쥐의 잃어버린 기억을 되찾게 하는데 성공했다고 밝혔다. 학계는 지금까지 알츠하이머 등 기억과 관련한 뇌 질환이 뇌의 특정 세포가 파괴돼 기억이 저장되지 않아 생기는 증상이라고 판단해 왔다. 하지만 MIT연구진은 애초에 기억이 저장되지 않는 것이 아니라 기존에 저장된 기억을 불러내는 과정, 즉 '기억의 인출 과정'에 문제가 발생하기 때문이라고 주장한다. MIT연구진은 실험용 쥐를 특정 공간에 들어갔을 때 가벼운 전기충격을 가했고, 이를 통해 해당 공간에 들어가면 전기 충격의 기억만으로 몸이 얼어붙는 것처럼 긴장하도록 훈련시켰다. 이 과정에서 기억을 형성하는데 주된 역할을 하는 해마의 ‘기억 코드’ 세포에 유전적인 꼬리표를 달아놓고, 특정 기억과 관련해 해당 부위가 어떻게 변하는지 관찰했다. 이후 완벽하게 훈련된 쥐들에게 기억을 상실하게 하는 아니소미신 약물을 주입했다. 그러자 특정 공간에 다시 들어가도 전기충격을 떠올리지 못해 몸이 긴장하는 증상이 나타나지 않았다. 연구진은 이 쥐들은 완전히 새로운 공간에 넣은 뒤 푸른빛의 광펄스로 ‘기억 세포’만 골라 자극했다. 그러자 쥐들은 해당 공간이 전기충격을 줬던 공간이 아님에도 불구하고 당시의 기억이 되살아나 공포에 떠는 등 긴장도가 급격하게 높아졌다. 광유전학을 이용한 이번 실험은 기억형성 과정을 관장하는 특정 세포(뉴런)를 자극하면 기억을 되살리는데 도움이 된다는 사실을 입증한 것이라고 연구진은 설명한다. 연구를 이끈 토마스 라이언 박사는 “이번 연구가 노화로 인한 치매 또는 교통사고 등 뇌의 외상으로 인한 기억 상실을 치료하는데 도움이 될 것”이라고 전했다. 한편 이번 연구결과는 세계적인 과학매체인 ‘사이언스’ 최신호에 실렸다. 송혜민 기자 huimin0217@seoul.co.kr

중증의 건망증이나 치매 또는 사고로 인한 기억상실 증상을 보이는 환자에게 희소식이 될 만한 연구결과가 공개됐다. 최근 매사추세츠공과대학교(이하 MIT) 연구진은 쥐를 이용한 실험에서, 광유전학적 빛(광펄스)을 이용해 쥐의 잃어버린 기억을 되찾게 하는데 성공했다고 밝혔다. 학계는 지금까지 알츠하이머 등 기억과 관련한 뇌 질환이 뇌의 특정 세포가 파괴돼 기억이 저장되지 않아 생기는 증상이라고 판단해 왔다. 하지만 MIT연구진은 애초에 기억이 저장되지 않는 것이 아니라 기존에 저장된 기억을 불러내는 과정, 즉 '기억의 인출 과정'에 문제가 발생하기 때문이라고 주장한다. MIT연구진은 실험용 쥐를 특정 공간에 들어갔을 때 가벼운 전기충격을 가했고, 이를 통해 해당 공간에 들어가면 전기 충격의 기억만으로 몸이 얼어붙는 것처럼 긴장하도록 훈련시켰다. 이 과정에서 기억을 형성하는데 주된 역할을 하는 해마의 ‘기억 코드’ 세포에 유전적인 꼬리표를 달아놓고, 특정 기억과 관련해 해당 부위가 어떻게 변하는지 관찰했다. 이후 완벽하게 훈련된 쥐들에게 기억을 상실하게 하는 아니소미신 약물을 주입했다. 그러자 특정 공간에 다시 들어가도 전기충격을 떠올리지 못해 몸이 긴장하는 증상이 나타나지 않았다. 연구진은 이 쥐들은 완전히 새로운 공간에 넣은 뒤 푸른빛의 광펄스로 ‘기억 세포’만 골라 자극했다. 그러자 쥐들은 해당 공간이 전기충격을 줬던 공간이 아님에도 불구하고 당시의 기억이 되살아나 공포에 떠는 등 긴장도가 급격하게 높아졌다. 광유전학을 이용한 이번 실험은 기억형성 과정을 관장하는 특정 세포(뉴런)를 자극하면 기억을 되살리는데 도움이 된다는 사실을 입증한 것이라고 연구진은 설명한다. 연구를 이끈 토마스 라이언 박사는 “이번 연구가 노화로 인한 치매 또는 교통사고 등 뇌의 외상으로 인한 기억 상실을 치료하는데 도움이 될 것”이라고 전했다. 한편 이번 연구결과는 세계적인 과학매체인 ‘사이언스’ 최신호에 실렸다. 송혜민 기자 huimin0217@seoul.co.kr