Multiscale harmonization and semantic integration of biomedical data enable biological insights through immersive exploration

평면적인 2차원 지도를 통해 도시를 이해하려고 노력하는 모습을 상상해 보십시오. 거리와 건물은 보이지만, 마천루의 높이, 지하 터널의 깊이, 혹은 거대한 인파 속에서 한 개인의 존재감을 느낄 수는 없습니다. 이제 그 똑같은 도시가 인간의 몸이라고 상상해 보십시오. 그리고 단순히 거리뿐만 아니라, 간이나 뇌와 같은 장기 안에서 수조 개의 미세한 세포들이 어떻게 함께 작동하는지를 이해하려고 노력하는 것입니다. 이것이 현대 생물학이 직면한 과제입니다. 과학자들은 이 세포들이 어디에 있는지, 무엇을 하고 있는지, 그리고 서로 어떻게 대화하는지에 대한 방대한 양의 데이터를 수집하고 있지만, 대개는 이 정보를 평면적인 컴퓨터 화면으로 보는 데 머물러 있습니다. 문제는 인간의 몸이 사람 전체의 크기부터 단일 세포의 미세한 크기에 이르기까지 거대한 거리를 가로지르는 3차원 퍼즐이라는 점입니다. 우리 몸이 어떻게 작동하는지 진정으로 이해하기 위해서, 연구자들은 이 생물학적 세계를 확대하거나 축소하며, 하나의 작은 세포가 전체 장기와 어떤 관계를 맺는지, 그리고 그 장기가 전체 몸에 어떻게 맞물려 있는지를 규모에 대한 감각을 유지한 채 관찰할 수 있는 방법이 필요합니다.

이 지점에서 "HRA: Powers of Ten"이라는 새로운 프로젝트가 등장합니다. 이것을 인체 속을 통과하는 가상 현실(VR) 엘리베이터 탑승이라고 생각하십시오. 평면 화면을 뚫어지게 쳐다보는 대신, 과학자들은 VR 헤드셋을 쓰고 3차원 세계로 들어가 장기 속을 직접 걸어 다니고, 손으로 세포를 잡거나, 거대한 역방향 마천루의 엘리베이터를 타는 것처럼 확대 및 축소를 반복할 수 있습니다. 이 논문은 연구자들이 이 몰입형 경험을 통해 복잡한 생물학적 데이터를 더 자연스럽고 직관적으로 탐색할 수 있도록 구축한 방법을 설명합니다. 건조한 데이터를 3차원 모험으로 바꿈으로써, 그들은 모든 것이 2차원 페이지에 평면적으로 펼쳐졌을 때는 보이지 않던 패턴과 연결 고리를 발견하기를 희망합니다. 이는 요리법을 읽는 것과 실제 주방에 들어가 재료들이 어떻게 어우러지는지 직접 보는 것의 차이와 같습니다.

당신의 몸을 통과하는 엘리베이터 탑승

이 논문의 핵심 아이디어는 "다중 척도 엘리베이터 시스템(Multiscale Elevator System)"이라는 도구입니다. 인간의 몸을 거대한 마천루, 하지만 거꾸로 세워진 모습이라고 상상해 보십시오. 꼭대기 층은 전체 몸이며, 엘리베이터를 타고 내려갈 때마다 각 층은 미세한 세계로 한 단계 더 가까워짐을 의미합니다. 아래로 내려갈 때마다 당신의 크기는 10배씩 줄어듭니다. 당신은 81개의 서로 다른 3D 참조 장치를 보며 꼭대기에서 시작합니다. 내려가면서 "대장" 층에 멈출 수도 있고, "소장" 층에 멈출 수도 있으며, 결국에는 개별 세포와 심지어 RNA 분자까지 볼 수 있는 "세포 집단" 층까지 줌인하게 됩니다.

논문은 이 엘리베ator 여행의 여덟 가지 특정 "장면(scenes)" 또는 정거장을 제시하며, 각 장면은 자신만의 데이터를 기여한 다양한 과학자들에 의해 만들어졌습니다. 이 장면들은 다섯 가지 장기(림프절, 뇌, 대장, 소장, 간)를 다루며, 정보를 수집하기 위해 다섯 가지 유형의 첨단 실험실 테스트(CODEX, Visium, SBF-SEM 등)를 사용합니다. 목표는 단순히 예쁜 그림을 만드는 것이 아니라, 과학자들이 데이터와 실제로 상호작용할 수 있도록 하는 것이었습니다.

VR 세계에서 할 수 있는 일들

VR 장면 안에 들어서면 연구자들은 평면 화면에서는 불가능한 일들을 할 수 있습니다. 세포 군집을 붙잡아 모든 각도에서 돌려보며 관찰할 수 있고, 심지어 조직을 "폭발(explode)"시켜 세포들을 분리해 그들이 어떻게 연결되어 있는지 확인할 수도 있습니다.

• 림프절에서: 과학자들은 이 도구를 사용하여 "노화된(senescent)" 세포(분열을 멈추고 노화된 세포)를 관찰했습니다. 2D에서는 이러한 세포들이 어떻게 배열되어 있는지 보기 어렵습니다. 하지만 VR에서는 이 노화된 세포들이 특정 이웃을 형성하고 3D 공간에서 면역 세포와 어떻게 상호작용하는지 볼 수 있었으며, 이는 평면 지도에서는 놓칠 수 있는 패턴을 드러내 줍니다.
• 뇌에서: 팀은 뇌 조직 슬라이스에서 노화의 여덟 가지 서로 다른 "특징(hallmarks)"을 시각화했습니다. 그들은 각 세포 지점에서 선이 위아래로 뻗어 나오는 3D "스파이크 플롯(spike plot)"을 만들었는데, 이는 각 노화 표지가 얼마나 존재하는지를 보여줍니다. 이를 통해 특정 노화 패턴이 특정 영역에 함께 모여 있는지 확인할 수 있습니다.
• 장(Intestine)에서: 한 장면은 두 가지 유형의 현미경 이미지를 결합하여 면역 세포(CD8 T 세포와 같은)가 장의 신경과 물리적으로 어떻게 접촉하고 있는지 보여줍니다. 또 다른 장면은 서로 다른 조직 수준을 겹쳐서 보여주는데, 개별 세포가 어떻게 이웃을 형성하고, 그 이웃이 다시 어떻게 더 큰 공동체를 형성하는지 보여줌으로써 연구자들이 조직이 밑바닥부터 어떻게 구축되는지 이해하도록 돕습니다.
• 간에서: 여기서는 뷰가 세포 하부 수준까지 내려갑니다. 연구자들은 담관 및 혈관 옆의 3D 공간에 떠 있는 미토콘드리아와 소포체와 같은 간 세포 내부의 미세 구조를 볼 수 있습니다.

"Powers of Ten" 비교

이 앱에서 가장 놀라운 장면 중 하나는 직접적인 비교입니다. 앱은 소장의 데이터 슬라이스, 림프절 데이터 슬라이스, 인간 피부 장기 모델, 그리고 세계에서 가장 높은 건물인 부르즈 할리파 모델을 같은 방에 배치합니다. 앱이 실제 규모를 존중하기 때문에, 건물은 인체에 비해 아주 작게 보이고, 림프절 데이터는 장 슬라이스에 비해 거대해 보입니다. 이는 과학자들이 생물학적 구조들 사이의 차이가 얼마나 큰지 파악하는 데 도움을 줍니다.

어떻게 만들어졌으며 그것이 갖는 의미는 무엇인가

팀은 단순히 재미를 위해 이것을 만든 것이 아닙니다. 그들은 다른 과학자들이 자신의 데이터를 엘리베이터에 쉽게 추가할 수 있도록 표준화된 절차(Standard Operating Procedure)를 만들었습니다. 그들은 이 앱을 구축하기 위해 인기 있는 게임 엔진인 Unity를 사용했으며, 현재 메타 퀘스트(Meta Quest) VR 헤드셋을 사용하는 누구에게나 무료로 제공됩니다.

하지만 저자들은 이 도구가 무엇이 아닌지를 명확히 밝히고 있습니다. 그들은 이 VR 앱이 전통적인 수학 및 컴퓨터 분석의 필요성을 대체한다고 주장하지 않습니다. 대신, 이것이 강력한 "탐색자(spotter)" 역할을 한다고 제안합니다. 이는 연구자들이 흥미로운 패턴을 발견하고 더 나은 질문을 던질 수 있도록 도와주며, 그 질문들은 이후 엄격한 수학적 검증을 거치게 됩니다. 논문은 제시된 통찰이 주로 예시적이고 질적이라는 점을 인정합니다. 즉, 이것이 무엇이 가능한지를 보여주는 것이지, VR을 사용하는 것이 일반적인 화면을 사용하는 것보다 과학자들을 더 빠르거나 정확하게 만든다는 것을 입증하기 위한 통제된 테스트를 아직 수행한 것은 아니라는 점입니다.

한계도 존재합니다. 앱은 현재 특정 VR 헤드셋에서 가장 잘 작동하며, 이러한 장면을 만들기 위해서는 데이터를 정리하고 3D 모델을 구축할 전문가 팀이 필요하므로 많은 작업량이 요구됩니다. 그러나 논문은 도구 사용이 더 쉬워짐에 따라, 이러한 몰입형 탐색이 인체의 지도를 만드는 방식의 표준적인 부분이 되어, 보이지 않는 미세한 세계를 우리의 눈으로 직접 걷고 탐험할 수 있는 곳으로 바꿀 수 있음을 시사합니다.