[과학을 읽다]뇌지도의 미래를 개척한다

기술과 과학이 만나는 최첨단 접점 중요해

▲해마 내 상이한 CA3, CA1 세포군을 구획화할 수 있도록 고안한 3차원 세포 배양 플랫폼(위)에 신경세포를 배양하면 축삭의 성장 방향을 일정하게 유도한다.[사진제공=KIST]

[아시아경제 정종오 기자] 뇌는 아직 인간이 극복하지 못한 영역 중 하나입니다. 워낙 복잡하고 정교하기 때문입니다. 전 세계적으로 '뇌지도'를 만들기 위한 연구가 한창입니다. 마치 내비게이션에 나타나는 수많은 길처럼 뇌도 신경 회로망이 곳곳으로 뻗어 있습니다. 골목골목, 구석구석까지 찾아내는 것이 핵심입니다.

알츠하이머, 파킨슨병 등을 연구하기 위해서는 뇌를 알아야 합니다. 문제는 실제 인간 뇌를 가지고 연구하는 데는 한계가 있다는 것입니다. 이에 따라 최근 인간 뇌를 그대로 만들어내는 뉴로엔지니어링에 관심이 쏠리고 있습니다. 뉴로엔지니어링을 통해 만들어진 뇌 지도로 여러 가지 뇌 질환 연구를 할 수 있습니다.

국내 연구팀이 신경 회로망들이 복잡하게 연결된 뇌 조직을 실제 세포 배양에 쓰이는 생체재료(3차원 체외환경) 내에서 구현하는 기술을 개발했습니다. 콜라젠 섬유를 특정 방향으로 정렬할 수 있는 기술을 개발해 콜라젠 내에서 신경세포를 3차원 배양할 때 세포 축삭의 성장 방향을 유도할 수 있도록 했습니다. 축삭은 신경 세포(뉴런)의 세포체에서 길게 뻗어 나온 가지를 말합니다.

연구팀은 이 기술을 적용해 뇌 안에 있는 해마의 CA3, CA1에서 추출한 신경세포들이 정렬된 콜라젠 섬유를 따라 분화, 성장하면서 시냅스를 형성하는 CA3-CA1 신경 회로망을 재구축하는데 성공했습니다. 이 신경 회로망이 구조적 연결성뿐 아니라 기능적 연결성도 갖췄음을 실험적으로 증명했습니다. CA3, CA1은 대뇌변연계의 양 쪽 측두엽에 존재하는 해마 내 부위로 학습과 기억을 담당합니다.

우리 몸 안의 여러 장기와 조직은 세포와 세포 이외에 다양한 요소들이 특정 방향으로 정렬돼 있습니다. 구조적 속성을 가지면서 생물학적 기능이 작동되도록 하기 위한 것입니다. 조직공학 측면에서 보자면 체외 환경에서 장기 또는 조직을 새롭게 만들어 내고자 할 때 세포의 방향성을 구현하고 조절할 수 있다는 것은 조직의 외형적 구조뿐 아니라 기능도 모사할 수 있다는 것을 의미합니다.

이번 연구 성과는 실제 세포 배양에 쓰이는 생체재료(3차원 체외 환경) 내에서 방향성 구현이라는 난제를 해결하고 특히 해부학적으로 뚜렷하게 구별되는 많은 신경 회로망들이 서로 복잡하게 연결된 뇌 조직을 체외환경에서 재구축했다는 것에 큰 의미가 있습니다. 큰 길만 안내해주던 내비게이션에서 작은 골목과 방향까지 가늠할 수 있는 '뇌 내비게이션'이 만들어진 것으로 해석할 수 있습니다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 최낙원, 허은미 박사 팀이 수행했습니다. 연구 결과는 국제 학술지 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 2월1일자 온라인 판(논문명: Anisotropically organized three-dimensional culture platform for reconstruction of a hippocampal neural network)에 실렸습니다.

최낙원 박사는 "정상적 신경 회로망뿐 아니라 알츠하이머 병, 파킨슨 병 등 비정상적 질병 상태의 신경 회로망까지 재구축하는 데 적용될 수 있다"고 말했습니다.

허은미 박사는 "이번 기술을 환자 유래 줄기세포 기술과 융합한다면 다양한 뇌질환·장애와 신경 회로망의 기능 장애와 연관성을 이해하는데 한 발짝 더 다가갈 수 있을 것"이라고 설명했습니다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr