1그램 현미경으로 과학자들이 8,500개의 뉴런을 동시에 관찰하다

뇌가 수십억 개 뉴런의 동시 발화를 어떻게 하나의 결정, 기억, 또는 갑작스러운 움직임으로 바꾸는지 이해하는 것은 과학의 가장 어려운 문제 중 하나다. 어려움의 상당 부분은 단순히 그 과정을 보는 데 있다. 대부분의 이미징 도구는 부피가 크고 케이블에 묶여 있거나, 한 번에 뇌 조직의 작은 부분만 관찰할 수 있다. 중국 연구진은 이제 이 분야에서 가장 가벼운 무선 현미경을 개발했다고 밝혔다. 무게가 불과 1그램인 이 장치는 자유롭게 움직이는 동물의 수천 개 뉴런 활동을 기록할 수 있다.

이 기기는 메조스코프로, 단일 세포가 아닌 비교적 넓은 조직 영역을 이미징하도록 설계된 현미경의 한 종류다. CCTV에 따르면 연구진의 장치는 폭 6밀리미터의 시야에서 작동하며 개별 세포를 구분할 수 있다. 생쥐 실험에서 이 장치는 대뇌 피질의 8,500개 이상 뉴런 활동을 동시에 포착했다. 이는 기존의 유사 장비가 동시에 기록할 수 있는 수의 약 25배에 해당한다. 결과는 10월 19일 세계 최고 과학 저널 중 하나인 Nature에 온라인으로 게재됐다.

이 돌파구는 생물학적 성과만큼이나 공학적 성과다. 기존의 탁상용 현미경은 생쥐 머리에 올릴 수 없고, 고정된 장비로 이어지는 케이블은 동물을 묶어 과학자들이 관찰하려는 바로 그 행동을 왜곡할 것이다. 광학, 센서, 전원, 무선 전송을 동물이 눈에 띄는 부담 없이 운반할 수 있는 것으로 압축하려면 소형화와 데이터 처리에 새로운 접근이 필요했다. 1그램의 무게는 연구진이 자연스러운 움직임에 실질적으로 방해가 되지 않을 것이라고 믿을 만큼 충분히 가볍다.

이것이 중요한 이유는 행동이야말로 뇌 활동이 의미를 갖는 지점이기 때문이다. 동물이 탐색하고, 사회적 상호작용을 하고, 과제를 학습하거나 위협에 반응할 때 뉴런이 발화하는 것을 관찰하는 것은 신경 회로가 복잡한 행동을 조절하는 방식을 이해하는 데 핵심이다. 지금까지 실험실은 종종 머리가 고정된 동물의 고해상도 기록과 자연스럽게 움직일 수 있는 동물의 광범위한 관찰 중 하나를 선택해야 했다. 수천 개 세포를 동시에 포착하는 무선 장치는 이러한 절충을 상당히 줄일 것을 약속한다.

Nature 게재는 이 연구에 국제적 가시성을 부여하고 결과가 엄격한 동료 심사를 통과했음을 보여준다. 또한 중국 연구 그룹을 역사적으로 미국과 유럽 실험실이 주도해 온 신경기술 하드웨어 분야의 선두 주자로 확고히 자리매김하게 한다. 연구진은 상용화 계획을 자세히 밝히지 않았지만, 이런 장치는 신경과학계에 빠르게 확산되는 경향이 있다. 뇌를 들여다보는 더 나은 창은 그것을 연구하는 거의 모든 실험실에 유용하기 때문이다.

일반 대중에게 실질적 이득은 간접적이지만 실제적일 가능성이 높다. 대규모 뉴런 집단이 어떻게 협응하는지 지도화하는 것은 학습, 기억, 수면, 신경 질환 연구의 기초가 된다. 더 나은 도구가 자동으로 치료법을 낳지는 않지만, 어떤 질문에 답할 수 있게 되는지를 바꾼다. 일상적 행동을 통해 수천 개 뉴런을 추적할 수 있는 현미경은 이전에 가설에 불과했던 일부 실험을 일상적인 것으로 바꾼다.

주목할 만한 한계도 있다. 연구는 생쥐에서 수행됐으며, 발견을 종 간에 옮기는 것은 결코 자동적이지 않다. 또한 이 장치는 깊은 뇌 구조가 아닌 표면 영역인 피질에서 기록한다. 그럼에도 1그램, 6밀리미터 시야, 8,500개 이상 뉴런 동시 기록이라는 핵심 수치는 웨어러블 뇌 센서가 무엇이 될 수 있는지에 대한 기대를 재설정하는 종류의 이정표다.

오랫동안 도구에 의해 제약을 받아온 분야에 이것은 중요하다. 다음 단계는 다른 실험실이 이 장치를 얼마나 널리 도입하는지, 그리고 수천 개 뉴런을 동시에 관찰하는 것이 일상이 되면 어떤 발견이 뒤따르는지 지켜보는 것이다.