腦(뇌) 투명하게 보는 기술… 치매·우울증 근본 치료길 열려

사람의 머릿속을 훤히 볼 수 있다면 얼마나 좋을까. 재미(在美) 한국인 과학자가 꿈을 현실로 만들었다. 스탠퍼드대 생물공학과 정광훈(34·사진) 박사와 칼 다이서로스(Deisseroth) 교수 연구진은 "생쥐의 뇌를 투명하게 만들고 그 안에 있는 신경세포의 3차원 연결망을 하나하나 볼 수 있는 기술을 개발했다"고 10일 밝혔다.

원인 모를 정신 질환이나 치매를 앓다가 사망한 사람의 뇌 신경세포 연결망 어느 곳에 문제가 생겼는지 한눈에 알아볼 수 있는 길이 열린 것이다. 과학계에서는 "뇌 연구 방법을 근본적으로 변화시킬 신기술"이라고 평가하고 있다. 정 박사가 제1 저자인 연구 논문은 세계적인 과학 학술지 '네이처(Nature)' 11일자에 실렸다.

뇌는 1000억개의 신경세포로 이뤄져 있고, 세포는 각각 1만가지 경로로 연결돼 있다. 복잡한 뇌 신경세포의 3차원 연결망을 알아내려면 마치 책 한 장 한 장을 만들 듯 사망한 사람의 뇌를 1㎜ 두께로 얇게 잘라 현미경으로 촬영해야 한다. 각각의 영상을 책처럼 쌓으면 3차원 신경세포 연결망을 만들 수 있다. 하지만 이렇게 하면 시간도 시간이거니와 절단면에 있는 수많은 신경세포가 손실되는 문제가 생긴다.

정광훈 박사는 뇌를 있는 그대로 볼 수 있는 방법을 개발하기로 했다. 뇌가 불투명한 것은 세포막을 이루는 지방이 빛을 차단하기 때문이다. 그렇다고 무조건 지방을 제거할 수는 없다. 지방은 신경세포를 이루는 단백질과 DNA를 그 위치에 있도록 지지하는 역할도 한다.

 

투명해진 생쥐의 뇌 - 생쥐의 뇌(왼쪽 위)에서 지방을 빼고 하이드로겔을 넣으면 빛이 내부로 통과해 투명해져 그 아래 글자가 선명하게 보인다(오른쪽 위). 이 문장은 스페인의 저명한 과학자가 쓴 것이다. 투명해진 생쥐의 뇌에 빛을 비추면 형광단백질을 만드는 특정 뇌 신경세포들이 빛을 내 자세한 연결 구조를 볼 수 있다(왼쪽 아래). 투명한 뇌에는 빛뿐 아니라 다른 물질도 쉽게 통과하기때문에 각각 다른 물질에 결합하는 신경세포들을 다른 색깔로 나타낼 수도 있다(오른쪽 아래). /미 스탠퍼드대 제공

 

 

정 박사는 생쥐의 뇌에 하이드로겔(hydrogel) 용액을 주입했다. 하이드로겔은 온도가 높아지면 묵처럼 말랑말랑한 상태로 굳어 실험실에서 세포나 미생물을 키우는 일종의 토양 역할을 많이 한다. 온도를 높이자 신경세포의 단백질과 DNA들은 거미줄에 걸린 파리처럼 하이드로겔 그물에 달라붙었다. 지방 대신 하이드로겔 그물이 지지대가 된 것이다. 덕분에 전류를 흘려 지방을 제거해도 신경세포의 구조가 변하지 않는다.

지방이 사라진 뇌는 빛이 구석구석을 통과해 투명해진다. 약물도 쉽게 뇌로 들어간다. 신경세포에 달라붙는 형광물질을 주입하면 허공에 나뭇가지 모양의 신경세포들이 무수하게 연결된 구조가 눈앞에 드러난다.

과학자들은 뇌 신경세포 연결망을 완전히 해독하면 인지와 기억에 대한 이해는 물론이고, 치매나 우울증 등 각종 뇌 질환을 치료할 방법을 찾을 수 있다고 기대한다. 미국 오바마 대통령은 지난 2월 의회 연설에서 10년간 30억달러(약 3조4000억원)를 투자해 '뇌 기능 지도'를 완성하겠다고 선언했다. 정광훈 박사는 "투명 뇌 기술이 뇌 지도 개발 시간을 크게 줄일 것"이라고 말했다.

 미국 국립보건원(NIH) 프랜시스 콜린스(Collins) 원장은 이번 연구에 대해 "뇌 질환 사망자의 뇌 세부 구조를 신경세포망의 손실 없이 정밀하게 밝혀줄 것"이라고 평가했다. 정 박사는 "올 하반기부터는 건강한 뇌와 치매 등으로 병든 뇌가 어떻게 다른지를 보여줄 3차원 뇌 지도를 만들겠다"며 "종양 조직검사나 진단에도 이용할 수 있을 것"이라고 말했다.

정 박사는 서울대 화학공학과를 나와 미 조지아공대에서 박사 학위를 받았다. 2010년부터 스탠퍼드대 박사후연구원으로 있다.

☞하이드로겔(hydrogel)

묵이나 젤라틴처럼 물속에 입자들이 들어가 고체나 반고체로 굳어진 물질이다. 대부분 물인데, 고체 성격을 갖는다고 해서 ‘고체물’로도 불린다.