영국 케임브리지대 심리학과, 이스라엘 바이츠만과학연구소 인간뇌영상연구센터, 뢰벤슈타인병원 재활센터, 텔아비브대 의대 공동연구팀은 심각한 뇌 손상 환자의 후각반응을 관찰함으로써 현재 상태는 물론 회복 및 생존 가능성까지 파악할 수 있다는 연구결과를 ‘네이처’ 30일자에 발표했다. 일반적으로 뇌 손상 환자의 의식상태를 파악하기는 쉽지 않고 오진율도 40%로 높다. 연구팀은 집중치료실에 있거나 재활치료를 4년 이상 받은 뇌 손상 환자 43명을 대상으로 상큼한 샴푸 향과 썩은 생선냄새를 맡게 했을 때 콧속으로 들어간 공기흡입량을 통해 후각반응을 관찰하고 이후 병의 진행상태를 관찰 분석했다. 그 결과 후각반응을 거의 보이지 않았던 환자들의 회복률과 생존율은 후각반응을 확실히 보인 환자보다 현저하게 낮다는 사실을 파악했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

과거 과학자들은 공룡이 중생대 말에 모두 멸종했다고 생각했다. 하지만 깃털 공룡이 발견되고 수각류 공룡과 조류의 연결 고리가 밝혀지면서 공룡이 완전히 사라진 게 아니라 새를 제외한 비조류 공룡(non-avian dinosaur)만 멸종했다는 관점의 변화가 일어났다. 이제 과학자들은 중생대부터 지금까지 새/공룡 그룹의 진화를 연속 선상에서 바라보고 있다. 브루스 박물관의 다니엘 크셉카 박사가 이끄는 국제 과학자팀은 수각류 공룡과 중생대 조류, 그리고 시조새 같은 근연 그룹의 뇌의 크기를 현생 조류와 비교했다. 그리고 수백 종에 달하는 공룡 및 조류의 뇌 크기를 비교한 결과 몇 가지 흥미로운 사실이 밝혀졌다. 현생 조류 가운데서 비둘기나 에뮤처럼 몸집 대비 뇌 크기가 작은 조류는 비슷한 크기의 소형 수각류보다 뇌가 크지 않았다. 중생대부터 최소 6600만 년이라는 영겁의 세월이 흘렀지만, 뇌가 커지지 않은 것이다. 물론 뇌가 커지지 않아도 현생 조류가 더 효율적인 구조를 지녀 좀 더 영리했을 가능성은 있다. 하지만 몸집 대비 뇌의 크기를 보면 중생대 소형 수각류도 새처럼 똑똑했을 것으로 추정된다. 연구팀은 백악기에는 원시 조류의 뇌 크기 역시 같은 시기에 살던 비슷한 크기의 수각류 공룡과 별 차이가 없다는 사실도 확인했다. 더 흥미로운 결과는 상대적으로 뇌가 큰 새도 있다는 사실이다. 중생대 말 대멸종 이후 살아남은 조류와 포유류는 비어 있는 생태계를 차지하면서 매우 다양하게 진화했고 뇌의 크기 역시 천차만별로 달라졌다. 연구팀은 새 가운데서도 까마귀과와 앵무과는 특별히 뇌의 크기가 크다는 사실을 발견했다. 특히 연구 대상 중 몸집 대비 뇌의 크기가 가장 큰 종은 까마귀였다. 연구팀의 일원인 스토니 브룩 대학의 제로언 스미어스 박사는 까마귀가 공룡/조류계의 호미닌(hominin, 인간과 인간의 조상 그룹)이라고 설명했다. 물론 까마귀가 사람처럼 머리가 좋지는 않지만, 매우 뛰어난 지능을 지닌 새라는 점은 분명하다. 뇌의 상대적 크기로 볼 때 까마귀는 수억 년 진화의 정점에 서 있다. 다만 하늘을 나는 새는 뇌의 크기에 제약을 많이 받기 때문에 인간은 물론 침팬지, 고릴라처럼 지능이 높아질 가능성은 작다. 현생 조류는 중생대를 주름잡던 공룡의 후예이긴 하지만, 당시와는 생태적 지위가 크게 달라 새를 통해 공룡을 이해하기는 쉽지 않다. 하지만 이번 연구는 현생 조류가 과거 공룡의 모습과 현재까지의 진화를 이해하는 데 큰 도움이 될 수 있음을 보여줬다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com　

7살 첫 수학, 시계와 달력(징검다리 교육연구소·강난영·이은영 지음, 차세정 그림, 이지스에듀 펴냄) 7살에 적합한 시계 학습법을 담았다. 생활 속에서 시계나 달력을 보는 다양한 상황을 그림으로 나타내 ‘시계와 달력’의 이해도를 높였다. 또 시계를 보는 방법을 원리로 먼저 설명한 후 실생활 문제에 적용했다. 아이들은 수학적 맥락을 이해하며 ‘시계 보기’를 배울 수 있다. 특히 ‘감각 깨우기’ 코너는 생활 속에서 직접 경험할 만한 상황을 다루고 있어 더 친근하고 흥미롭게 학습할 수 있다. 96쪽. 8000원.뇌내혁명(하루야마 시게오 지음, 오시연 옮김, 중앙생활사 펴냄) 뇌 분야의 권위자인 저자가 자신의 경험을 바탕으로 젊음과 건강, 행복을 유지하는 비밀을 신비의 호르몬인 뇌내 엔도르핀 활용법을 통해 자세히 알려준다. 저자는 좋은 생활 습관을 통해 뇌내 엔도르핀을 활성화하면 병에 걸리지 않고 삶의 질을 유지하면서 건강하게 살 수 있음을 역설한다. 또한 자신의 경험을 바탕으로 뇌내 엔도르핀이 가진 효능과 그것을 효율적으로 분비하는 방법을 소개한다. 244쪽, 1만 5000원. 김태곤 객원기자 kim@seoul.co.kr

잠자리에 들어서도 스마트폰을 만지작대다가 밤잠을 제대로 못 이루고 아침에 피곤하다는 이들이 많다. 이처럼 늦게 자고 수면시간이 불규칙할 수록 비만 위험이 늘어난다는 연구결과가 나왔다. 더군다나 살이 찌면 쉽게 잠을 못 이루고 깊이 잠들지 못해 비만 위험에 그대로 노출되는 등 악순환이 계속된다는 것이다. 미국 네바다대 생물학과, 펜실베니아대 의대 신경과 공동연구팀은 늦게 자고 수면시간이 불규칙할수록 비만 위험이 높아지며 살이 찔수록 잠자는 시간이 줄고 불규칙해지는 악순환이 이어진다고 26일 밝혔다. 이 같은 연구결과는 미국공공과학도서관에서 발행하는 생물학 분야 국제학술지 ‘플로스 생물학’ 최신호(22일자)에 실렸다. 6시간 미만의 수면시간을 갖는 사람은 비만이나 당뇨에 걸릴 가능성이 높다는 것은 잘 알려져 있다. 실제로 사람과 생쥐, 초파리 등을 이용해 수면이 비만에 미치는 영향에 대해서 일부 알려져 있다. 그렇지만 수면과 식욕과 관계는 명확히 밝혀지지 않은 상태다. 이에 연구팀은 1㎜ 크기의 예쁜꼬마선충이라는 동물을 이용해 실험을 실시했다. 예쁜꼬마선충은 배양하기 쉽고 발생단계가 비교적 단순하기 때문에 세포분화과정을 연구하는데 많이 활용되는 동물이다. 또 신경세포도 302개 정도에 불과하다. 연구팀은 유전자 편집을 통해 예쁜꼬마선충의 수면을 조절하는 신경세포가 활동을 멈추도록 했다. 그 결과 먹고 숨쉬고 짝짓기 등의 기본 기능은 유지하면서도 잠만 못 자는 것으로 확인됐으며 생명체를 움직이기 위한 생체 화학에너지인 APT의 수치가 떨어지는 것이 관찰됐다. 또 연구팀은 예쁜꼬마선충에게서 KIN-29 유전자를 제거하면 잠을 자지 않는 것으로 관찰됐으며 ATP 수치가 정상이더라도 과도한 지방을 축적한다는 것을 확인했다. 지방 분해 메커니즘을 작동시키는 KIN-29 유전자가 수면과도 밀접한 관계를 갖고 있음을 보여준다는 것이다. 연구팀은 이번 연구결과가 수면과 지방 축적 사이에 신경학적으로 밀접한 관계가 있음을 보여주는 것이며 잠을 못 자 비만하게 되는 것 뿐만 아니라 비만해지면서 수면 관련 신경세포가 교란돼 잠을 못 이루게 될 가능성도 있다고 설명했다. 알렉산더 반데르 린덴 네바다대 교수(신경과학)는 “이번 연구는 수면조절과 관련해 뇌와 신체 장기를 연결하는 복잡한 상호작용이 있음을 보여주고 있다”라며 “좀 더 효과적인 수면장애 치료방법을 찾는데 도움을 줄 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

미국 카네기멜런대의 미래 인터페이스 연구팀이 가상현실(VR) 공간에 ‘촉각’을 가져올 신기술을 발표했다. 호주 온라인매체 뉴아틀라스 등에 따르면, ‘와이얼리티’(Wireality)로 불리는 이 기술은 손목과 다섯 손가락 등에 연결된 와이어의 탄력을 통해 VR 공간에 있는 물체 표면의 감촉을 재현한다. VR 공간에 있는 물건이 현실 손에 닿는다이 기술은 사용자의 어깨 위에 장착한 본체에서 7개의 와이어를 늘려 다섯 손가락과 손목 그리고 손등에 연결한다. 와이어에는 스프링 장치가 있어 손이나 손가락의 움직임에 따라 늘어났다가 줄어들 수 있다. 이를 손의 움직임을 추적하는 VR과 연동함으로써 가상 공간에 있는 물체를 만질 수 있는 것이다.와이어로 연결한 7개의 포인트가 가상 물체에 접촉한 부분에서 가볍게 고정됨으로써 현실적인 촉각이 재현된다. 이로 인해 손가락이나 손목이 물체 표면의 저항을 느껴 마치 직접 만지는 듯한 착각을 일으키는 것이다. 와이어의 잠금장치는 각 포인트가 가상 물체에서 벗어나는 순간 해제된다. 이 기술을 사용하면 공룡과 같이 오늘날 지구상에 존재하지 않는 생물과의 소통을 체험할 수 있을지도 모른다. 복잡한 물건의 형태도 충실하게 재현한다와이얼리티는 막대 모양의 기둥을 잡거나 울퉁불퉁한 표면을 만지는 것도 지원한다. 그렇지만 본체에는 모토가 탑재돼 있지 않아서 부드러운 움직임은 재현할 수 없는 모양이다. 예를 들어, 울퉁불퉁한 표면에 닿을 수는 있지만, 그 위에 손가락을 미끄러지듯 쓰다듬을 수는 없다는 것이다.또한 가시의 날카로움이나 깃털의 촉감 등 피부 감각을 재현하는 것도 현재로서는 할 수 없다. 구체적인 촉감은 손바닥의 감각 신경을 연결해서 뇌에 직접적인 자극을 일으키는 것으로밖에 실현되지 않는다. 피부 감각과 VR을 연결하는 것은 또 다른 문제이며 해결해야 할 점도 많이 있다. 그래도 시각과 청각에 이어 촉각이 추가된 것은 큰 진보이며 VR에 더욱 크게 몰입할 수 있도록 하는 것이다. 앞으로의 연구에 따라서는 피부 감각뿐만 아니라 미각과 후각의 도입도 충분히 있을 수 있다. 미래에는 신체 감각의 모든 것이 보완돼 현실과 VR을 구분할 수 없는 세상이 오게 될지도 모르겠다. 사진=퓨처 인터페이시스 그룹/카네기멜런대 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

인간 뇌를 모방하는 핵심 전자칩의 개발이 생체 전자공학의 급격한 발전 덕분에 순조롭게 진행되고 있다. 이른바 ‘뉴로모픽 컴퓨팅 칩’으로 불리는 이 핵심 연산장치는 인간 뇌의 뉴런(신경세포)들과 이들을 연결하는 부위인 시냅스(연접부)들의 구조를 모방해 기계학습을 수행하면 기존 컴퓨터에서는 할 수 없던 복잡한 의사결정을 인간 수준으로 해낼 수 있다. 하지만 지금까지 기술로는 이 칩을 가동하는데 최소 1V 안팎의 전압이 필요했다. 이는 인간 뇌가 필요로 하는 전압인 80㎷와 비교하면 압도적으로 높은 전압이다. 하지만 뉴로모픽 컴퓨팅 칩의 최종 목표는 인간의 뇌를 완전히 대체할 수 있을만큼 발전하는 것이므로, 이렇게 높은 전압은 바람직하지 못하다. 그런데 미국 매사추세츠대 애머스트캠퍼스 연구진은 자신들이 개발하고 있는 뉴로모픽 컴퓨팅 칩을 가동하는 데 필요한 전압을 실제 뇌 수준인 40~100㎷까지 낮추는 데 성공했다고 밝혔다. 이런 성과 덕분에 이 전자칩은 실제 뇌를 재현하기 위한 마지막 관문을 돌파했다고 할 수도 있다. 또 적정 전압의 획득으로 손상됐거나 오래된 뇌세포를 대체하는 이른바 ‘뇌 바꾸기’도 실현 가능할 것이다. 그렇다면 도대체 무엇이 이번 저전압화를 가능하게 했던 것일까. 그 열쇠를 쥐고 있던 것은 뜻밖에도 세균에 있었다. 의사 시냅스의 구조 뉴로모픽 컴퓨팅 칩의 개발에 있어 가장 어려운 문제는 시냅스를 재현하는 것이다. 시냅스의 역할은 보통 전자회로의 스위치에 있는 온·오프 기능과 비슷하지만 다른 한편으로 흐르는 전류가 많거나 적음에 따라 스위치로 기능하는 유연성을 갖는다. 기존 전화회로로는 이런 성질을 재현하기가 어려웠지만, 최근 10여년간의 급격한 기술 발전 덕분에 뉴로모픽 컴퓨팅 칩은 실제 시냅스와 같이 유연한 전류 조절을 재현하는 의사 시냅스를 탑재하는 데 성공한 것이다. 저전압화 실현에 핵심이 된 부분은 금속 환원 미생물(혐기성 세균)인 지오박터 설퍼레두신스가 만들어내는 단백질로 된 나노와이어다. 이는 단면의 지름이 1나노미터 정도의 극미세선을 말한다. 생물 호흡의 본질은 체내에서 생긴 잉여 전자를 버리는 데 있다. 산소를 이용하는 호기성 호흡의 경우 체내 전자를 산소에 부여해 이산화탄소로 대체 방출한다. 반면 금속을 이용하는 혐기성 호흡은 체내에서 생긴 잉여 전자를 금속에 버리는 방식으로 호흡한다는 것이다. 연구진이 주목한 단백질 나노와이어는 혐기성 세균이 전자를 버리기 위해 금속(자연계에서는 광석)과 자신의 신체 일부를 연결하는 데 쓰인다. 이들 연구자는 의사 시냅스 사이를 이 혐기성 세균에서 채취한 나노와이어들로 채웠다. 그리고 의사 시냅스 전후 회선에 전압이 가해지면 나노와이어에 전자가 흐르고 주위에 부유시킨 은 이온을 은으로 바꿔 의사 시냅스 사이에서 은 덩어리가 생기게 했다. 분자 상태의 은이 모이면서 의사 시냅스는 접속돼 간다. 전기를 통하게 함으로써 수중의 은 이온(Ag+)이 단백질 나노와이어로부터 전자를 받아 은 덩어리를 형성하고 그 덩어리가 성장하면서 회로가 연결된다. 그리고 전기가 끊기면 집적된 은 덩어리는 다시 은 이온이 돼 수중에 녹아 연결이 끊어지는 것이다. 즉 혐기성 세균이 가지는 자연계 최소의 전선은 은과 은 이온으로부터 전자를 주고 받는 역할을 통해 생체 촉매와 같은 기능을 했다는 것이다. 생물이 지니는 촉매 작용은 매우 효율적이고 의사 시냅스의 작동에 필요한 전압을 극적으로 줄이는 과정으로 이어졌다. 따라서 이 연구를 통해 만들어진 신경 연결은 기존 기술의 비세포적 성질과 단백질 나노와이어로 이어진 세포적 성질 양측 모두를 지닌 이른바 하이브리드 뇌라고 할 수도 있다. 비세포성 뇌 만들어내나 이 연구로 생체 전압 수준의 제어가 실현돼 손상된 신경을 비세포성 전자회로로 대체할 수 있게 됐다. 배양한 세포와 달리 비세포성 회로는 거부 반응이 일어나기 어렵기 때문이다. 또 적정 전압은 대체할 신경을 중추신경으로 확대할 수도 있다. 뇌는 매우 생물학적인 조직이지만 신경 연결의 구조를 모방할 수 있으면 세포를 사용하지 않아도 모방할 수 있다. 손상됐거나 오래된 뇌세포를 이런 전자칩으로 대체할 수도 있다. 또 최신 연구에서는 쥐의 손상된 뇌를 인간의 피부세포에서 배양한 뇌세포를 사용해 대체하는 실험에도 성공했다. 이런 잠정적인 대체 기술을 통해 뇌를 모든 전자회로로 대체하는 미래도 가능해질 것이다. 어쩌면 그 때가 오기 전에 세포가 만들어내는 감정과 전자회에서 발생하는 감정의 차이가 무엇인지를 생각하기 시작해야 할지도 모른다. 자세한 연구 결과는 세계적 학술지 네이처의 자매지인 네이처 커뮤니케이션스 최신호(20일자)에 실렸다. 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

무증상 3040대 2주간 5명 뇌졸중2주간 평균 발병률 0.73명의 7배CNN, 미국 의사들 논문 인용 보도기침이나 고열 아닌 증상도 유의해야‘증상 약하다’ 통념 맹목적 신뢰 안돼 미국에서 코로나19가 건강한 30·40대에게 갑작스런 뇌졸중을 발생시킨다는 연구 결과가 나왔다. CNN은 22일(현지시간) “뉴욕의 마운트시나이 병원 의사 토마스 옥슬리와 동료들이 지난 2주간 치료한 50세 미만의 코로나19 확진자 5명에게서 심각한 뇌졸중이 나타났다”며 “이는 50대 미만의 평균 뇌줄중 발병률보다 7배가 높다”고 보도했다. 직전 12개월간 해당 병원의 50대 미만 뇌졸중 발병률(2주 기준)은 0.73명이었다. 뇌졸중을 보인 이들 확진자 5명은 코로나19 증상이 약하거나 아예 무증상자였다. 뇌졸중을 앓은 병력도 없었다. 의료진은 “코로나바이러스가 동맥혈전을 일으켜 뇌졸중으로 이어지는 것으로 보인다”고 설명했다. 다만 혈전 생성 원인에 대해서는 후속 연구가 필요한 상황이다. 이들의 논문은 ‘뉴잉글랜드 저널 오브 메디신’(New England Journal of Medicine)에 게재될 것으로 보인다. 옥슬리는 해당 뇌졸중 발병자 5명 중 2명은 앰뷸런스를 즉각적으로 부르지 않았다고 했다. 고열이나 기침만 코로나19의 증상으로 알고 있었기 때문으로 보인다. 하지만 그는 뇌졸중 역시 빠른 치료가 중요하기 때문에 증후가 나타나면 병원에 가야 한다고 전했다. 그는 “FAST”를 기억하라고 했다. 안면마비(face drooping), 팔마비(Arm Weakness), 언어장애(Speech difficulty)가 나타나면 전화를 해(Time to call) 도움을 요청하라는 것이다. 해당 연구는 젊은 세대가 상대적으로 코로나19를 가볍게 앓고 지나간다는 그간의 통념에 맹목적으로 의존해서는 안 된다는 의미도 담긴 것으로 보인다. 이경주 기자 kdlrudwn@seoul.co.kr

국내 연구진이 알츠하이머 치매로 인한 인지기능 저하를 막고 원래대로 되돌릴 수 있는 단백질을 찾아냈다. 카이스트 생명과학과, 바이오및뇌공학과, 서울대 의과학대학 공동연구팀은 뇌 속에 존재하는 신경 펩타이드 중 하나인 ‘소마토스타틴’이 뇌 인지기능을 높일 수 있다고 23일 밝혔다. 이번 연구결과는 기초과학 및 공학분야 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 22일자에 실렸다. 지난해 기준 국내 65세 이상 노인 10명 중 1명은 치매를 앓고 있는 것으로 확인됐다. 치매는 알츠하이머나 알콜, 외상 등 다양한 원인으로 발생하는데 기억력 손실, 인지기능과 운동기능을 떨어뜨려 일상생활을 어렵게 만든다. 최근 고령 인구가 늘어나면서 치매 환자들도 점점 늘고 있는 추세이지만 마땅한 치료방법은 없다. 연구팀은 알츠하이머 치매 환자의 뇌 척수액을 분석한 결과 일반인에 비해 소마토스타틴의 양이 현저하게 적다는 점에 주목했다. 소마토스타틴은 사람을 포함한 포유류들의 중추신경계에 존재하는 물질로 정보처리 정도를 조율한다. 소마토스타틴은 대뇌 피질에서 흥분성 신경세포 활성을 억제하는 ‘가바’를 분비하는 신경세포에서 나오는 것으로도 알려져 있다. 뇌 기능 관련 연구에 있어서 지금까지는 가바에만 주목해 소마토스타틴의 역할에 대해서는 많이 밝혀져 있지 않았다. 연구팀은 생쥐에게 뇌 시각피질과 뇌척수액에 소마토스타틴을 직접 주입해 시각정보 인지·식별능력 향상 여부를 파악한 결과 실제로 시각정보 인지능력이 눈에 띄게 향상된 것을 확인했다. 연구팀은 주사전자현미경을 이용해 뇌 신경망 변화를 관찰한 결과 실제로 소마토스타틴이 주입된 생쥐는 인지관련 신경망이 일반 생쥐와 똑같이 회복된 것도 확인했다. 이승희 카이스트 생명과학과 교수는 “이번 연구에서 그 기능을 확인한 소마토스타틴은 생체 내 독성이 없어 뇌나 뇌 척수액에 안전하게 주입할 수 있다는 장점을 갖고 있어서 사람을 포함한 포유류 인지기능 조절 약물에 적용할 수 있다”라며 “소마토스타틴과 비슷한 기능이나 구조를 가진 인공 단백질 합성체를 개발해 치매나 파킨슨병 등 퇴행성 뇌질환 치료제 개발에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

날씨가 따뜻해지는 봄이 되면 춘곤증 때문에 꾸벅꾸벅 조는 사람들이 늘어난다. 추운 겨울이 끝나고 날씨가 포근해지면서 나타나는 현상이라고 알려져 있지만 어떤 메커니즘으로 잠이 쏟아지는지는 밝혀내지 못했다. 울산과학기술원(UNIST) 생명과학부 연구팀은 기온의 변화에 따라 신경전달물질의 신호 체계가 바뀌면서 수면 패턴도 달라진다는 사실을 확인했다고 21일 밝혔다. 이번 연구결과는 생물학 분야 국제학술지 ‘커뮤니케이션즈 바이올로지’에 실렸다. 전 생애에 있어서 3분의 1 시간을 보낸다는 잠은 환경의 영향을 많이 받는다. 밝기와 습도, 소음 같은 외부 환경 뿐만 아니라 영양 상태 같은 신체적 조건에 따라서도 수면 시간과 질은 달라지게 된다. 기온 역시 수면에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나로 꼽힌다. 봄이나 가을처럼 이전 계절과 달리 기온이 크게 변동하는 환절기에는 졸음이 쏟아지거나 무더운 여름철이 되면 낮 동안 나른하고 밤에는 잠을 못 이루는 열대야 수면 패턴도 기온 때문에 수면이 영향을 받는 현상이다. 연구팀은 사람처럼 기온에 따라 수면패턴에 영향을 받는 초파리를 대상으로 실험을 실시했다. 연구팀은 칼륨 이온 통로 단백질 중 하나인 셰이커 유전자에 돌연변이를 일으킨 형질전환 초파리를 활용해 무더운 여름과 비슷한 환경을 만든 뒤 수면 패턴을 관찰했다. 셰이커 유전자가 만드는 단백질은 뇌 속 칼륨이온이 지나는 통로를 만드는데 이 단백질이 결핍되면 신경세포를 과도하게 활성화시켜 수면을 억제하게 된다. 이 때문에 셰이커 유전자에 돌연변이가 생기면 다른 초파리에 비해 잠을 덜 자게 된다. 실험 결과 기온이 높아지면 억제성 신경전달물질 ‘가바’(GABA)를 만들어내는 신경세포와 수면을 촉진하는 신경세포(dFSB)들을 연결해주는 시냅스가 사라져 수면패턴이 달라진다는 것을 확인했다. 가바를 전달해 수면을 억제하기 어려워지므로 더 잘 자게 된다는 설명이다. 또 연구팀은 살아있는 초파리 뇌의 칼슘이온 이미징 기법을 이용해 관찰한 결과 수면촉진 신경세포를 조절하는 신호가 기온 변화에 따라 달라진다는 것도 확인했다. 21도보다 낮은 기온에서는 가바가, 29도 이상의 높은 온도에서는 도파민이 수면촉진 신경세포의 활동을 제어한다는 것이 관찰됐다. 임정훈 UNIST 교수는 “이번 연구는 기온이라는 환경요인이 수면이라는 행동을 어떻게 이끌어내는지 신경유전학적으로 설명했다는데 의미가 크다”라며 “춘곤증이나 여름철 열대야 현상 등으로 인한 수면패턴의 변화를 이해하고 발생할 수 있는 수면장애를 해소할 실마리가 될 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

요즘처럼 외부활동이 극도로 제한된 상황에서는 안방극장만 한 것이 없다. 외계인과 터미네이터가 활약하는 과학영화(SF)에 푹 빠져 보는 것도 나쁘지 않은 선택이다. 그렇지만 현재의 과학기술을 배경으로 이야기를 풀어내는 영화 중 특별히 기억나는 것은 없다. 영화계는 과학기술의 전반적 혜택을 누리면서도 많은 경우 현재의 과학기술을 미래를 망치는 괴물로 묘사하는 경우가 많다. 최근 가족들과 안방극장에서 ‘인사이드 아웃’과 ‘마션’이라는 영화를 봤다. 두 영화는 경외심을 느끼게 해줬다. 인사이드 아웃에서 제작자는 뇌라는 과학기술 연구의 중요소재 중 하나를 과학의 칼로 낱낱이 해부해 아이들마저 감동할 수 있는 수준으로 풀어놨다. 프로이트가 얘기한 무의식을 너무나 쉽게 영상으로 구현했다. 큐리오시티 로버가 2012년에 화성에 내려앉았으니 마션은 SF와 현재 과학의 중간 정도라 할까. 마션의 주인공 와트니는 식물학자답게 감자를 키우고, 이리듐 촉매로 물을 만드는 화학도 소개하고, 로버에서 원자력전지로 화성의 추위를 해결하는 원자력공학도 선보인다. 감자는 그렇다 치더라도 촉매나 원자력전지는 많은 관객이 놓쳐버리기 쉽지만 그들은 그렇게 과학을 소재로 영화를 만든다. 두 영화 속 과학기술은 따뜻하다. 우리의 미래를 맡길 만하다. 아카데미 4개 부문을 석권할 정도의 표현력을 가진 우리 영화계도 현재 과학과 동떨어진 조악한 재난 영화가 아닌 따뜻하고 리얼한 SF를 내놓길 기대해 본다.

생명공학의 급속한 발전으로 손상하거나 사멸한 뇌세포를 외부에서 배양한 뇌세포와 바꿀 수 있게 됐다. 게다가 대체할 뇌세포는 반드시 환자와 같은 사람일 필요가 없어졌다. 최근 실험에서도 쥐의 뇌에 인간의 뇌세포를 이식해 장기간 생존시키는 데 성공했었다. 하지만 이식된 인간의 뇌세포가 쥐의 뇌에서 역할을 얻어 양자 간에 신경 연결이 이뤄졌는지는 알려지지 않았다. 그렇지만 이번에 스웨덴 연구진이 뇌졸중에 걸린 쥐의 뇌에 인간의 피부세포에서 이른바 유도만능줄기세포로 불리는 역분화줄기세포(iPS세포)를 생성하고 이를 뇌신경세포로 바꾼 것을 이식했는데 이런 인간의 뇌세포가 쥐의 뇌세포와 신경 연결이 이뤄진 것으로 확인됐다. 또 새롭게 확립된 이종 간의 신경 연결은 쥐의 뇌에 광범위하게 이뤄졌으며, 뇌졸중으로 인해 손실됐던 쥐의 운동능력과 감각기능을 회복시켰다는 사실도 밝혀졌다. 이는 서로 다른 뇌를 결합해 하나의 뇌로 기능하게 하는 데 성공한 최초의 사례가 된다. 이른바 ‘뇌세포 대체’로 불리는 이 기술에 의해 쥐의 두개골 내부에서 인간의 뇌세포 비율을 100%까지 늘릴 수 있을 것이다. 그리고 만일 윤리적인 문제를 극복한다면 인간의 두개골 속을 유전자를 개량한 다른 인공 세포로 채울 수도 있을지 모른다. 그렇지만 우리는 이런 생물을 지금까지와 마찬가지로 쥐 또는 인간이라고 불러도 되는 것일까? 인간의 뇌세포가 쥐의 뇌세포를 대체하다국내 뇌졸중 환자는 연간 60만 명에 달하며 사망원인은 4위일 정도로 위험도가 높다. 살아남더라도 3명 중 1명은 반신마비나 언어장애 등 장애를 평생 갖고 살아야 한다. 현재 뇌졸중에 대해 기대되는 근본적인 치료법은 iPS세포에서 분화시킨 신경세포를 뇌에 이식함으로써 잃어버린 신경 연결을 회복하는 것이다. 하지만 임상시험은 장벽이 높고 이식한 인간의 신경세포가 어떻게 동작하는지는 대부분이 수수께끼에 싸여 있다. 따라서 이들 연구자는 인위적으로 뇌졸중이 유발된 쥐에 인간의 뇌세포를 더함으로써 이식된 뇌가 어떻게 작동하는지를 알아내려고 했다. 실험에 쓰인 쥐는 대뇌피질에 뇌졸중으로 인해 손상을 입은 상태이며 인간의 신경세포가 손상 부분을 덮게 했다. 그리고 이식 실험을 하고 6개월이 지났을 무렵, 쥐의 상황에 현저한 개선을 볼 수 있었다.연구진은 무슨 일이 일어났는지를 확인하기 위해서 쥐의 뇌를 전자현미경이나 그 외의 신경 연결을 시각화하는 기술에 의해 관찰을 시작했다. 그 결과, 이식된 인간의 뇌세포가 쥐의 뇌세포와의 신경 연결을 이루고 있는 것으로 확인됐다. 또 이식된 세포로부터의 신경 축삭은 뇌의 반대편 즉 세포를 이식하지 않은 반구에까지 침식해 광범위한 신경의 연결을 만들고 있었다. 인간의 뇌세포와 생쥐의 뇌세포 연결이 확인된 것은 이번 연구가 세계 최초이다. 하지만 쥐에 일어난 뇌졸중의 개선이 인간의 뇌세포와의 연결에 의한 것인지는 아직 단언할 수 없다. 따라서 이들 연구자는 인간의 뇌세포에 미리 설정해 놓은 활동 스위치를 끄기로 했다. 이식 뇌의 활동 스위치를 꺼 봤다쥐에 이식된 인간의 뇌세포에는 빛에 의한 자극에 의해 활동 스위치를 끄는 구조가 도입돼 있었다. 만일 쥐의 개선이 인간의 뇌세포에 의한 것이라면 인간의 뇌세포 스위치를 끔으로써 쥐는 다시 뇌졸중의 증상을 재발할 것이다. 인간의 뇌세포 활동을 끈 결과, 예상대로 쥐는 뇌졸중 증상을 다시 보였고 운동능력과 감각능력을 상실했다. 이 결과로부터 인간의 뇌세포는 뇌졸중을 일으킨 쥐의 뇌에서 새로운 기능을 획득해 쥐의 건강 상태 개선에 크게 기여하고 있던 것이 밝혀진 것이다. 오래된 뇌세포는 어떻게 처리해야 하나 이번 연구를 통해 이식된 인간의 뇌세포가 뇌졸중으로 인해 발생한 쥐의 뇌 손상을 복구하고 대체한 것으로 확인됐다. 앞으로 이식된 뇌세포가 기억과 지능, 사고, 정신 그리고 성격 등에 어떤 영향을 미치는지 동물실험이나 뇌의 회춘을 바라는 지원자들에 의한 임상시험을 통해 조사할 수 있을 것이다. 또 이번 성과는 죽은 신경세포를 새로운 건강한 신경세포로 대체하는 것이 가능하게 됐음을 의미한다. 인간의 뇌에 대해 항상 신선한 뇌세포를 사용한 대체가 이뤄지게 되면 이론상 뇌와 정신은 불멸이라고 할 수 있다. 단 한 가지, 주의해야 할 것이 있다. 그것은 뇌세포 대체를 진행하는 속도와 대체된 뇌세포의 처리 문제이다. 한 번에 모든 것을 대체하는 것은 단순한 자살이다. 정신의 통일성을 유지한 채 뇌세포 대체를 진행하기 위해서는 한 번의 대체 과정을 최대 몇 %씩 한정할 필요가 있을 것이다. 특히 최신 연구에 의해 밝혀진 뇌 속 의식의 발생원과 같이 3~4㎜ 미세한 조직에 대해서는 세심한 주의가 필요하다. 또 대체된 오래된 뇌세포를 살아있는 채로 보존할지, 의료폐기물로 처리할지도 철학적이고 윤리적인 문제로 발전한다. 오래된 뇌세포를 모아 재구성하면 오래된 당신이 부활하기 때문이다. 그렇게 되면 오래된 인격과 새로운 인격 중 어느 쪽이 더욱더 정당성이 있는 당신이 되는지도 생각할 필요가 있을 것이다. 자세한 연구 결과는 미국국립과학원회보(PNAS) 4월 6일자에 실렸다. 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

몇 달간 우주에서 중력 없이 체류하는 우주 비행사는 뇌가 부풀어 치매에 걸릴 위험이 크다는 연구 결과가 나왔다. 미국 텍사스대 휴스턴 건강과학센터와 미국항공우주국(NASA) 존슨우주비행센터 등 연구진이 우주 비행사 11명(여성 1명)을 대상으로 국제우주정거장(ISS)에서 체류하기 전후와 귀환 뒤 1년간 정기적으로 뇌 MRI 검사를 수행했다.그 결과, 장기간 미세 중력에 노출되는 것이 뇌와 뇌척수액의 부피를 늘리는 원인이 되는 것으로 나타났다. 연구를 이끈 텍사스대의 래리 크레이머 박사는 “혈액과 뇌척수액은 중력이 미세할 때 하체 쪽으로 쏠리지 않는다”면서 “뇌로 이런 유체가 이동하는 현상은 눈과 뇌 부위에서 우리가 관찰할 수 있는 변화를 일으키는 메커니즘(기전)들 가운데 하나일 수 있다”고 설명했다. 그는 또 “이전에 실제로 아무도 확인하지 못한 우주비행 전에서 후까지 뇌의 백질 부피가 상당히 증가한다는 점을 확인했다”면서 “백질의 팽창은 사실 비행 후 뇌와 뇌척수액을 결합한 체적이 가장 많이 증가한 원인이 된다”고 말했다. 이번 검사는 또 뇌하수체에도 변화를 준다는 것을 보여줬다. 이는 완두콩 크기의 내분비기관으로 뇌하수체에서 성장부터 체온 조절에 이르기까지 신체에 중요한 호르몬들의 분비를 총괄하는 매우 중요한 곳인데 손상되면 회복 가능성이 낮다. 연구진에 따르면, 뇌하수체는 우주비행 전보다 후에 그 상하 길이가 줄어들어 더 작아진 것으로 나타났다. 게다가 뇌하수체의 반구형 윗부분은 미세 중력에 노출되지 않은 우주 비행사들에게서 주로 볼록하게 나타나지만 우주비행 뒤에는 평탄화하거나 오히려 안으로 조금 들어가 오목해 보이는 것으로 확인됐다. 이런 유형의 변형은 높아진 내압에 노출되는 것과 일치한다고 크레이머 박사는 설명했다. 이들 연구자는 또 뇌척수액이 우주비행 전보다 더 빨리 뇌를 통해 흘러가는 것을 관찰했다. 이런 결과를 연구진은 뇌수종(수두증)과 연관성이 있다고 추정했다. 수두증은 뇌실 안이나 두개강이 비정상적으로 커져 뇌척수액이 고이는 질병으로, 우주 비행사가 아닌 일반인들에게서도 나타난다. 뇌 기능의 저하 등 수두증에 관련한 증상들 역시 지금까지 우주 비행사들에게서 관찰된 적은 없었다. 이들 연구자는 현재 인류가 이웃 행성인 화성으로 9개월 또는 그 이상의 여행을 하기 전 우주선에서 체류하는 동안 겪을 미세 중력의 영향에 대응하는 법을 연구하고 있다. 이들이 조사하는 한 가지 방법은 인공 중력인데 이는 사람을 앉거나 엎드린 자세에서 회전하도록 하는 커다란 원심분리기를 사용해 만들 수 있다. 또다른 방법은 우주에서 유체가 머리 방향으로 흐르는 현상에 대응하기 위해 하지에 음압을 가하는 기술을 조사하고 있다. 크레이머 박사는 이 연구가 우주비행이 아닌 다른 환경 조건에서도 신체가 변하는 방식을 더 잘 이해하기 위해 일반인에게도 적용할 수 있기를 희망한다. 그는 “만일 우리가 우주 비행사들에게 뇌실의 확대를 야기하는 메커니즘을 더 잘 이해하고 적절한 대응책을 개발할 수 있으면 이런 발견 중 일부는 정상 압력 상태에서 나타나는 수두증 등 다른 관련 질환을 지닌 환자들에게도 도움이 될 수 있을 것”이라고 말했다. 자세한 연구 결과는 북미 영상의학학회(RSNA·Radiological Society of North America) 학술지 ‘영상의학’(Radiology) 최신호(14일자)에 실렸다. 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

메르스 코로나바이러스 방어실험 성공국내 연구진이 면역증강제와 바이러스의 스파이크 단백질을 활용해 다양한 종류의 백신을 빠르게 만들 수 있는 방법을 개발했다. 이 방법을 이용해 메르스 백신을 개발하고 동물실험에서 효능을 확인했다. 남재환(왼쪽) 가톨릭대 생명공학과 교수와 금교창(오른쪽) 한국과학기술연구원(KIST) 뇌의약연구단 단장 주도로 한국생명공학연구원 국가영장류센터, 전북대, 이화여대, 국제백신연구소가 참여한 공동연구팀은 면역증강제와 세포 안에 효과적으로 침투할 수 있는 스파이크 단백질을 결합시켜 빠르게 백신을 개발할 수 있는 플랫폼을 개발했다고 14일 밝혔다. 이 같은 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘안게반테 케미’에 실렸다. 연구팀은 귀뚜라미에 마비증세를 일으켜 죽이는 ‘귀뚜라미 마비바이러스’의 RNA를 활용한 면역증강제와 아연금속으로 만든 RNA 안정제를 혼합한 뒤 코로나바이러스 스파이크 단백질과 결합시켰다. 연구팀은 이런 방식으로 메르스 코로나바이러스(MERS-CoV) 백신을 만들어 생쥐와 히말라야 원숭이에게 접종했다. 그 결과 생쥐는 1회 접종만으로도 치사량의 바이러스 공격에도 100% 방어되는 것이 확인됐고 히말라야 원숭이도 바이러스와 독소의 활성을 차단할 수 있는 중화항체가 체내에서 만들어져 메르스 감염을 억제하는 것이 관찰됐다. 연구팀은 이번에 개발한 백신 플랫폼을 활용해 코로나19 치료용 백신과 살인진드기병으로 알려진 중증열성혈소판감소증후군 예방백신을 개발하고 있다. 금 단장은 “메르스 바이러스에서 효과를 보인 이번 RNA 활용 단백질 기반 백신 플랫폼은 코로나19 백신의 개발 시간을 단축시킬 것”이라고 기대했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

하루에 커피 2잔을 초과해 마신 여성은 뇌백질 고강도신호의 용적이 높아 뇌졸중, 인지기능 저하 발생 위험이 상대적으로 높다는 사실이 밝혀졌다. 분당서울대병원은 김기웅 정신건강의학과 교수팀이 국내 노인들의 평생 누적 커피 소비량과 뇌백질 고강도 신호 용적 사이의 관계를 분석해서 이같은 결과 얻었다고 13일 밝혔다. 이번 연구 결과는 세계적 과학저널 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 최근 호에 게재됐다. 많은 양의 커피를 장기간 마실 경우 뇌로 통하는 혈류가 감소하고, 혈압 상승과 동맥 경직이 발생한다고 한다. 이렇게 뇌로 가는 혈류가 감소하는 관류저하가 생기면 자기공명영상(MRI)에서 백질의 이상소견을 확인할 수 있는데, 이를 ‘뇌백질 고강도신호’라고 부른다. 주로 노인들에게서 발견되며 뇌백질 고강도신호 병변이 발견되는 경우 뇌졸중과 인지기능 저하가 발생할 위험이 높아 주의가 필요하다. 김기웅 교수팀은 평생 누적 커피 소비량이 노년기 뇌백질 고강도신호 용적에 미치는 영향을 밝혀내고자 성남 지역에 거주하는 60세 이상 노인 492명을 대상으로 연구를 진행했는데, 일일 평균 커피 소비량에 평생 커피 소비 지속시간을 곱해 계산한 평생 누적 커피 소비량이 높을수록 노년기 뇌백질 고강도신호 용적이 증가하는 것으로 나타났다. 대상자들을 평균 커피 소비량에 따라 평생 비섭취 그룹, 하루 2잔 이하로 마신 그룹, 하루 2잔 초과로 마신 그룹으로 나눠 그룹 간 뇌백질 고강도 신호 용적을 비교한 결과, 하루 2잔 초과로 마신 그룹은 뇌백질 고강도신호 용적이 더 적게 마신 그룹들에 비해 큰 것으로 드러났다. 다만만 평생 커피를 마시지 않은 그룹과 하루 2잔 이하로 마신 그룹 사이에는 유의한 차이가 없었다. 또한 연구 대상자를 남성과 여성 그룹으로 나눠 분석한 결과 남성의 평균적 전체 뇌용적과 뇌백질 용적이 여성그룹에 비해 컸으며, 일일 평균 커피 소비량과 평생 누적 커피 소비량도 여성에 비해 높았다. 그럼에도 불구하고 커피소비량과 뇌백질 고강도신호 용적 사이의 관계성은 여성그룹에서만 통계적으로 유의하게 나타났다. 즉 여성그룹에서는 커피 소비량이 높을수록 뇌백질 고강도신호 용적이 증가한 반면, 남성그룹에서는 둘 사이에 유의미한 관계가 나타나지 않았다.이번 연구는 장기간의 커피 섭취가 노년기 뇌백질 고강도신호 용적을 증가시킬 수 있음을 제시한 최초의 연구이다. 장기간 카페인 섭취로 인해 뇌 관류가 저하되고, 혈압 상승과 함께 동맥경직도가 증가하면서 노년기에 뇌백질 고강도신호 용적이 증가한 것으로 보인다. 구체적으로 커피의 어떤 성분이 뇌백질 고강도신호 용적 증가를 유발하는지는 아직 밝혀지지 않았다. 김 교수는 “이번 연구를 통해 커피 섭취로 인한 뇌백질 고강도신호 용적 증가 위험이 남성보다는 여성에서 높을 수 있다는 사실이 밝혀졌다”며, “여성이 남성에 비해 카페인 민감도가 높고 체내 여성호르몬인 에스트라디올 영향으로 카페인 분해 속도가 느린 것이 원인이 될 수 있다”고 설명했다. 김 교수는 또 “하루 2잔을 초과해 섭취한 그룹에서 노년기 뇌백질 고강도신호 용적이 증가했다”면서 “연구 결과를 일반화하려면 더 많은 인구 수와 인종을 대상으로 한 후속 연구가 필요하지만, 커피 소비가 늘어나고 있는 현 시점에서 올바른 커피 섭취에 대한 인식을 재정립해야 할 때”라고 덧붙였다. 신동원 기자 asadal@seoul.co.kr

그리스 과학자이자 철학자 아르키메데스는 임금으로부터 왕관의 진품여부를 알아내라는 문제를 부여받고 고민을 하다가 마침내 해결방법을 알아내고 ‘유레카’라고 외치며 벌거벗은 채로 목욕탕 밖으로 뛰쳐나갔다는 일화는 유명하다. 이처럼 이전에는 이해할 수 없던 문제나 개념을 갑자기 이해하게 되거나 창의적인 생각이 떠올랐을 때 사람들은 자신도 모르게 ‘아하’를 외치게 된다. 실제로 어떤 문제를 해결할 때 ‘아하’하는 순간이 없는 경우 정확한 답을 내놓지 못하는 경우가 많다. 뇌과학자들은 이 같은 순간을 ‘아하 효과’나 ‘유레카 효과’라고 부르지만 정확하게 뇌의 어느 부위에서 발생하는지에 대해 정확히 알지 못하고 어떤 순간에 ‘아하’하는 생각이 떠오르는지도 예측하기 어렵다. 미국 드렉셀대 실험심리학 연구팀은 창의적인 생각이 떠올라 ‘아하’하는 순간에는 뇌 속 쾌감중추영역이 폭발적으로 활동한다고 12일 밝혔다. 이 같은 연구결과는 뇌과학 분야 국제학술지 ‘뉴로이미지’ 10일자에 실렸다. 이번 연구는 ‘유레카 효과’ 연구로 잘 알려진 존 코우니우스 드렉셀대 응용인지뇌과학과 교수팀이 주도했다. 연구팀은 드렉셀대 남녀대학생 44명을 대상으로 단어나 문장을 구성하는 문자 순서를 바꿔 다른 단어나 문장을 만들거나 해독하는 ‘애너그램 퍼즐’을 풀도록 했다. 연구팀은 문제 수준을 점점 높여가면서 실험 참가자들이 시간을 들여 생각하면서 풀도록 했다. 또 이 과정에서 활성화되는 뇌 부위를 찾아내기 위해 연구팀은 실험 참가자들에게 뇌파(EEG) 검사장치를 착용하도록 했다.그 결과 창의적 통찰력이 발생하는 ‘아하’하는 순간에는 뇌파 중 감마파가 증가했으며 대뇌 피질의 보상영역과 쾌감중추 영역이 폭발적인 활동을 보이는 것을 발견했다. 뇌의 이 부위는 맛있는 음식을 먹거나 담배나 술을 포함한 각종 중독성 물질이나 행위를 접했을 때, 오르가즘 같은 경험을 했을 때 활성화된다. 연구팀에 따르면 감파마와 대뇌 피질 보상영역의 활동은 아하 하는 순간 10분의 1초만에 나타나기 때문에 통찰력을 얻는 순간, 어떤 과정을 거쳐 사고가 진행됐는지 스스로 인식하기 어렵다. 뇌의 보상시스템은 단순히 물질적 보상에 반응하는 것이 아니라 특정 행위에 동기를 부여해 성취감을 느꼈을 때 활성화되는 부위다. 연구팀은 퍼즐 애호가, 추리미스터리 소설 팬, 생활수준이 낮은데도 불구하고 예술에 헌신하는 예술가 등도 이 같은 아하효과가 원인이라고 해석했다. 코우니우스 교수는 “아하 또는 유레카하는 순간 뇌는 마치 중독성 있는 자극에 강하게 노출된 것과 비슷한 상태가 된다”라며 “이번 연구를 통해 볼 때 자신의 수준보다 약간 어려운 문제에 끊임없이 도전하고 문제를 해결하는 과정을 반복하는 것이 창조성이나 창의성을 단련시키는데 어느 정도 도움이 될 것”이라고 조언했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

일반적으로 개미는 페로몬의 흔적을 따라 둥지로 돌아가는 길을 찾을 줄 아는 것으로 알려져 있다. 하지만 최근 연구에 따르면 개미는 페로몬의 흔적뿐만 아니라 시각적 기억력도 사용할 줄 안다는 사실이 확인됐다. 프랑스 툴루즈대학 연구진은 실험실에 관찰용 케이지를 설치한 뒤, 호주에 서식하는 붉은꿀개미(Melophorus bagoti)와 사하라사막에 서식하는 사막개미(cataglyphis fortis) 두 종을 상대로 실험을 실시했다. 연구진은 두 종의 개미가 개미집으로 돌아가는 길 곳곳에 함정을 파 놓은 뒤 행동의 변화를 살폈다. 이 함정에서 유일한 출구는 나뭇가지 뒤에 숨겨진 작은 다리뿐이었다. 개미가 둥지로 돌아가던 중 처음 이 함정을 만났을 때, 개미들은 모두 연구진이 파놓은 함정에 빠져 구멍으로 떨어지고 말았다. 그러나 두 번째 시도에서 개미들은 구덩이를 모두 피해 무사히 둥지로 돌아가는 달라진 행동을 보였다. 연구진은 개미의 시각적 기억이 구덩이에 빠지기 몇 초 전으로 되돌아 간 것이 함정을 피할 수 있었던 비결이라고 추측했다. 즉 눈으로 보고 경험한 것을 점 크기에 불과한 작은 뇌에 기억했다가, 이후 이 기억을 바탕으로 위험을 피하거나 실수를 반복하지 않을 수 있었다는 것. 연구진은 “향후 우리의 목표는 곤충 신경계의 복잡성을 더 잘 이해하기 위한 매커니즘을 구현하는 것”이라고 설명했다. 이번 실험에 이용된 두 종의 개미 중 사막개미는 특히 정교한 방향감각을 지닌 것으로 알려져 있다. 페로몬을 활용하기 어려운 환경이나 바람에 의해 주변 지형이 바뀌어도 길을 잃지 않을 수 있는 비결은 지구 자기장을 감지하는 생체 나침반을 가졌을 뿐만 아니라 편광필터처럼 작용하는 여러 겹의 눈을 지녔기 때문이라는게 전문가들의 분석이다. 이와 더불어 뛰어난 기억력을 바탕으로 정교한 GPS 능력을 자랑하는 개미에 대한 연구결과는 세계적 학술지 ‘셀’(Cell) 자매지인 ‘커런트 바이올로지’(Current Biology) 최신호에 실렸다. 송현서 기자 huimin0217@seoul.co.kr

코로나19 바이러스가 뇌 손상 등 신경학적 증상을 유발할 수 있다는 내용의 연구결과가 나와 우려가 높아지고 있다. 우한의 화중과학기술대학 연구진이 우한에서 코로나19 확진 판정을 받은 환자 214명의 데이터를 분석했다. 관찰 대상 214명은 모두 완치 판정을 받았으며, 이중 3분의 1은 중증 환자로 분류돼 특수 치료를 받았다. 연구진은 이들의 증상을 관찰한 결과, 코로나19 환자들에게서는 총 세 부류의 신경학적 징후가 나타나는 것을 확인했다. 이는 △골격과 근육 손상 △후각과 시각 손상, 신경 통증과 같은 말초신경계 징후 △현기증과 두통, 의식장애, 급성뇌혈관질환, 발작 증 중추신경계 징후 등이었으며, 이러한 신경계 징후를 보인 코로나19 환자는 36.4%로 확인됐다. 연구진에 따르면 코로나19 중증 환자는 비중증 환자에 비해 기저질환 특히 고혈압을 앓던 경우가 많고, 발열이나 기침 등의 대표적인 증상은 적게 보이는 대신 급성뇌혈관질환이나 의식장애 등 신경학적 증상은 더 많이 나타났다. 연구진은 “코로나19 바이러스가 유행하는 기간동안 전문가들은 신경학적 증상이 있는 환자를 볼 때 반드시 코로나19 바이러스 감염을 의심해야 한다. 그래야만 진단이 길어지거나 오진하는 사례를 피하는 동시에 환자가 치료할 기회를 잃거나 더 많은 사람에게 바이러스를 전파하는 일을 막을 수 있다”고 설명했다. 다만 이번 연구에 활용된 데이터에는 환자들이 코로나19 감염 이전 신경학적 기저질환이 있었는지 여부가 포함돼 있지 않기 때문에 추가적인 연구가 필요하다는 지적이 나왔다. 연구결과를 살핀 리딩대학의 바이러스학자인 이안 존스 박사는 “사스(중증급성호흡기증후군)의 경우 혈액 내에 존재하는 바이러스가 신경조직에 직접 접근해 신경학적 징후를 유발한 사례가 있었지만 이는 일시적인 현상이었다”고 설명했다. 한편 코로나19 바이러스가 일부 환자에게서 뇌 손상을 유발할 수 있다는 연구결과는 이번이 처음은 아니다. 지난 3일 헨리 포드 헬스 시스템 병원 방사선과 연구진에 따르면 코로나19 확진판정을 받은 50대 여성의 오른쪽 뇌에서 출혈성 뇌질환이 발견됐다. 연구진은 면역 세포가 과도하게 반응해 사이토카인을 과다 분비하면서 정상 조직까지 공격하는 ‘사이토카인 폭풍’이 이 환자의 뇌를 손상시킨 것으로 분석했다. 지난 3월에는 역시 미국에서 팔·다리 발작으로 응급실에 내원한 74세 남성이 코로나19 확진 판정을 받았고, 이탈리아 등 유럽에서는 코로나19에 감염된 뒤 발작 등 신경학적 증상을 나타내는 환자가 다수 보고되기도 했다. 이번 연구결과는 ‘미국의사협회지 신경학’(JAMA Neurology) 최신호에 실렸다. 송현서 기자 huimin0217@seoul.co.kr

곤충 한 마리는 작고 힘없는 생물이지만, 수백만 마리의 곤충이 군집을 형성하면 이야기가 달라진다. 개미, 흰개미, 벌 같은 사회적 곤충은 작은 곤충도 힘을 합치면 무시할 수 없는 힘을 지닐 수 있다는 것으로 보여준다. 그런데 군집을 이루는 절지동물은 곤충만이 아니다. 절지동물에서 성공한 그룹 중 하나인 거미 중에도 군집을 이룬다고 알려진 종이 25종에 이른다. 현재까지 알려진 4만여 종의 거미는 대부분 혼자 사냥한다. 그러나 거미 가운데서도 수천 마리가 서로 힘을 합쳐 먹이를 사냥하고 외적을 방어하며 새끼를 공동으로 키우는 군집 생활의 장점을 받아들인 종이 있다. 사회적 거미 군집은 개미 같은 사회적 곤충과 비교해 복잡도나 규모가 떨어지지만, 여러 가지 유사한 특징을 지니고 있다. 펜실베이니아 대학의 카오 통 박사가 이끄는 연구팀은 사회적 거미 두 종과 단독 생활을 하는 거미 5종의 유전자를 비교해서 사회생활을 선택한 거미가 어떻게 진화했는지 연구했다. 기본적으로 ‘아싸’인 거미가 사회생활을 하기 위해서는 유전자부터 변하지 않으면 안 되기 때문이다. 이번 연구에서 흥미로운 결과는 집단생활을 하는 거미에서 특별히 진화한 유전자가 면역에 관련된 것이라는 사실이다. 집단 생활을 하면 여러 가지 장점이 있음에도 상당수 동물이 집단생활을 하지 않는 것은 인간처럼 사회성이 부족해서가 아니라 전염병 전파 같은 만만치 않은 대가를 치러야 하기 때문이다. 밀집 생활을 할수록 전염병은 쉽게 전파된다. 인간처럼 백신이나 의료 기술을 개발할 수 없는 거미는 결국 유전자 수준에서 면역력을 강화해야 수많은 개체가 모인 군집을 이룰 수 있다. 하지만 사회적 거미에서 볼 수 있는 가장 중요한 변화는 행동과 뇌에 관련된 유전자다. 거미가 이성적인 판단에 의해 사회를 구성하는 건 아니기 때문에 결국 행동이 변하기 위해서는 뇌가 변해야 한다. 이는 개미 같은 다른 사회적 곤충도 마찬가지다. 개미와 유사한 또 다른 특징은 성비 불균형으로 대부분의 사회적 거미는 암컷이 대부분이다. 수많은 개체가 모여 있어 번식을 위해 소수의 수컷만 있어도 되기 때문이다. 여기서 소수의 개체만 번식을 하게 분화되면 개미와 마찬가지로 여왕을 거느린 군집으로 진화할 것이다. 사실 수백만 마리의 거미 떼를 지닌 여왕 거미는 상상만 해도 징그럽지만, 반드시 인간에게 나쁜 일은 아니다. 징그러운 외형과 달리 거미는 생태계에서 중요한 역할을 한다. 특히 인간에게 질병을 옮기거나 작물을 망치는 등 피해를 주기보다 반대로 해충을 잡아먹어 인간에게 도움을 준다. 사회적 거미나 혼자 사냥하는 거미 외형과는 달리 인간의 친구인 셈이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

국내 IT통신기업과 정부출연연구기관이 손잡고 국내 기술로 세계적인 수준의 인공지능(AI) 반도체를 만들었다. 과학기술정보통신부는 한국전자통신연구원(ETRI)와 SK텔레콤을 포함한 국내 기업이 공동연구를 통해 고성능 데이터센터와 사물인터넷(IoT)이나 모바일 기기에 활용할 수 있는 신경망처리장치(NPU) 기반 AI 반도체를 개발하고 실증에 나설 계획이라고 7일 밝혔다. AI 반도체는 사람의 뇌처럼 낮은 전력으로 대규모 데이터를 빠르게 처리해 복잡한 상황인식, 학습과 추론 등 지능형 서비스에 최적화할 수 있다는 특징이 있다. 특히 NPU는 사람의 뇌신경망을 흉내내 대규모 연산을 동시에 처리할 수 있는 인공지능 반도체 기술이다. 우선 연구팀은 클라우드 데이터센터에서 활용되는 고성능 서버에 활용가능한 ‘서버용 초저전력 AI 반도체’를 개발했다. 현재 인공지능 연산에 활용되는 반도체들은 전력소모량이 크고 반도체 칩도 크다는 단점이 있다. 이에 연구팀은 가로, 세로 각각 17㎜, 23㎜로 동전 크기의 면적에 1만 6384개의 연산장치(코어)를 집적시켜 성능을 극대화한 반도체 칩을 개발하는 한편 각 연산장치의 전원을 동작, 차단시킬 수 있는 소프트웨어 기술까지 개발해 전력소모를 최소화했다. 이 기술을 활용하면 초당 40조 번의 데이터 처리가 가능하고 15~40와트(W)의 저전력을 소모해 현재보다 전력효율이 10배 이상 향상될 것으로 연구팀은 보고 있다.연구팀은 올해 하반기부터 지능형 CCTV, 음성인식 등 서비스를 지원하는 SKT 데이터센터에 적용하는 실증 사업화를 본격화할 예정이다. 또 ETRI와 전자부품연구원, 팹리스 기업들이 협력해 ‘모바일·IoT 디바이스용 시각지능 AI 반도체’도 개발했다. 이 반도체는 성인 손톱의 절반 수준인 가로, 세로 각각 5㎜ 크기로 회로면적을 최소화하고 기존 반도체 10분의 1 이하의 전력인 0.5W로도 초당 30회 이상 물체인식이 가능하다. 지능형 CCTV나 드론에 적용할 수 있는 이 반도체는 올 하반기부터 영상감시, 정찰 분야 등 인공지능 기반 지능형 기기 제품화와 연계된 실증과 사업화가 추진된다. 최기영 과기부 장관은 “인공지능 반도체는 한국이 ICT강국을 넘어 AI 강국으로 도약하기 위한 핵심기반”이라며 “이번 기술개발처럼 민관 협력을 통해 AI 반도체 핵심기술 투자를 올해 안에 본격화하고 신개념 반도체 기술 같이 세계시장을 선도하는 도전적 연구도 적극지원해 나갈 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

국내 연구진이 알츠하이머 치매의 원인 단백질의 진행상태를 수치로 확인할 수 있는 치매지수(DQ)를 개발했다. 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희(성균관대 물리학과 교수) 단장팀은 알츠하이머 치매 원인 베타아밀로이드 단백질의 섬유화 진행 단계를 측정하는데 성공하고 이를 치매진단의 지표로 사용할 수 있는 방법을 개발했다고 6일 밝혔다. 이번 연구결과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘ACS 나노’ 표지논문으로 실렸다. 뇌에서도 대사활동을 하면서 노폐물인 베타아밀로이드 단백질을 만들어 내는데 배출이 제대로 되지 않을 경우 뇌신경세포 사이에 쌓이면서 세포를 파괴하는 치매가 발생하게 된다. 치매증상이 나타날 경우 의사 진단으로 인지행동능력을 측정하고 방사성동위원소표지법(PET) 촬영으로 단백질 침착을 확인하는데 문제는 증상이 상당히 진행된 상태에서만 진단이 가능하다는 것이다. 연구팀은 베타아밀로이드 분자가 뇌척수액이나 혈액, 타액 등 다양한 체액에서 검출될 수 있다는 점에 착안했다. 연구팀은 체액 내 베타아밀로이드 분자를 ‘테라헤르츠 근접장 분광법’으로 측정한 결과 정상인의 뇌에서 발견된 베타아밀로이드 분자의 길이는 짧지만 치매에 걸리면 베타아밀로이드 분자가 섬유화돼 길이가 길어진다는 사실을 발견했다. 치매가 심해질수록 섬유화된 분자의 길이는 더 길어진다. 이를 바탕으로 독성을 띄지 않는 짧은 분자 상태로 치매가 없는 상태를 0, 독성을 띄는 긴 분자를 갖고 있어 치매가 심각한 상태는 1로 정하고 섬유화 진행상태에 따라 연속적 수치로 나타내 치매상태를 파악할 수 있도록 했다. 이영희 단장은 “이번 연구는 치매원인 단백질 섬유화를 물리적으로 관찰해 지능지수(IQ)나 감성지수(EQ)처럼 지수형태로 파악할 수 있게 함으로써 치매 조기진단 가능성을 높였다는데 의미가 크다”라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr