Revealing trajectories of multi-modal voxel-level changes in neurodegenerative diseases using latent event mapping

인간의 뇌를 거대하고 북적이는 도시라고 상상해 보십시오. 건강한 도시에서는 모든 것이 원활하게 돌아갑니다. 하지만 알츠하이머와 같은 신경 퇴행성 질환이 발생하면, 도시는 서서히 황폐해집니다. 문제는 이 붕괴가 한꺼번에 일어나는 것이 아니라, 도시의 각 부분(전력망, 도로, 건물 등)이 서로 다른 시점에 무너지는 느리고 복잡한 과정이라는 점입니다.

오랫동안 과학자들은 뇌 스캔(PET 및 MRI와 같은)을 사용하여 이 "재난 타임라인"을 지도화하려고 노력해 왔습니다. 하지만 그들이 사용한 도구들은 세부 사항을 보기에는 너무 흐릿하거나, 변화가 일어나는 과정을 추적하기에는 너무 느린 망원경으로 도시 전체의 지도를 그리려는 것과 같았습니다. 그들은 정확히 어떤 특정 거리(복셀, voxel)가 실패하고 있는지, 그리고 그 일이 거대한 질병의 순서 속에서 언제 일민지를 쉽게 파악할 수 없었습니다.

LEMING의 등장: "사건 타임라인" 탐정

이 논문의 저자들은 LEMING(Latent Event Mapping)이라는 새로운 디지털 탐정 도구를 만들어냈습니다. LEMING을 '초스마트 시간 여행 편집기'라고 생각하십시오. 단순히 특정 순간의 도시 사진 한 장을 보는 대신, LEMING은 질병의 각 단계에 있는 서로 다른 사람들의 수천 장의 사진을 가져와 하나의 완벽한 영화로 엮어냅니다.

이 도구는 무엇을 찾아야 할지 미리 알려주지 않아도 "공통된 사건의 타임라인"을 찾아냅니다. LEMING은 "자, 이 모든 뇌 스캔 데이터를 정렬했을 때, 어떤 논리적인 순서로 문제가 발생하는가?"라고 묻습니다. 그리고 뇌의 아주 작은 구성 단위(복셀)를 통해 손상이 퍼져 나가는 정확한 순서를 보여주는 잠재적 지도(latent map)—즉, 숨겨져 있고 보이지 않는 설계도—를 만들어냅니다.

그들은 무엇을 발견했는가?

연구진이 알츠하이머 환자의 데이터에 LEMING을 적용했을 때, 그들은 마침내 가능한 가장 세밀한 수준에서 질병 진행의 "영화"를 볼 수 있었습니다. 그들은 "아밀로이드"(끈적한 단백질 플라크)와 "위축"(뇌 조직의 수축)이 도시의 구획 단위별로 어떻게 퍼져 나가는지 관찰할 수 있었습니다.

여기서 놀라운 반전이 발견되었습니다:

연구진은 뇌 세포들이 서로 대화할 수 있도록 돕는 "통신 안테나" 역할을 하는 아세틸콜린 수용체를 살펴보았습니다. 보통 의사들은 이 질병 때문에 이 안테나들이 초기에 고장 난다고 가정합니다. 하지만 LEMING은 다른 것을 보여주었습니다.

데이터에 따르면, 이 통신 안테나들은 끈적한 플라크와 뇌 위축이 이미 장악한 후에도, 질병의 매우 후기 단계까지 실제로 튼튼하게 서 있는 것으로 나타났습니다.

이것이 의미하는 바 (논문에 근거함)

논문은 이 안테나들의 후기 단계 생존에 대해 두 가지 가능한 설명을 제시합니다:

1. 질병이 오직 길의 맨 마지막 단계에서만 이 안테나들을 특정하여 공격할 수도 있습니다.
2. 혹은, 끈적한 아밀로이드 플라크가 이전에 생각했던 것처럼 안테나를 능동적으로 파괴하는 "악당"이 아닐 수도 있습니다.

저자들은 이것이 이 안테나들을 강화하기 위해 설계된 약물들을 우리가 어떻게 생각해야 하는지를 바꾼다고 결론짓습니다. 만약 안테나가 아주 마지막 단계에서만 실패하는 것이라면, 이 안테나들을 보호하거나 강화하는 약물을 사용하는 전략은 이미 손상이 다 일어난 후를 기다리기보다 초기 단계 개입을 위해 아껴두는 것이 최선일 수 있기 때문입니다.

요약하자면, LEMING은 알츠하이머가 뇌를 어떻게 파괴하는지에 대한 고해상도의 연대기적 지도를 제공했으며, 뇌의 일부가 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 오래 버틴다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 우리가 의료적 "구조 미션"을 어떻게 계획해야 하는지를 바꿀 수 있습니다.