Focal neuronal loss and cell replacement in a connectome model of fly steering

뇌졸중이나 심각한 머리 부상이 발생했을 때, 그것은 단순히 하나의 기억이나 특정 기술을 지우는 데 그치지 않습니다. 그것은 뇌의 복잡한 배선을 가로질러, 감각에서 근육으로 신호가 전달되도록 하는 연결을 끊어버립니다. 그 결과는 종종 지속적인 운동 능력 상실, 즉 명령이 내려져야 할 자리에 정적이 흐르는 상태로 나타납니다. 수십 년 동안 의사들과 과학자들은 단순히 소실된 뇌세포를 교체하는 것만으로는 기능을 회복하기에 충분하지 않다는 사실을 알고 있었습니다. 새로운 세포는 단순히 살아남는 것뿐만 아니라, 올바른 경로를 찾아내어 끊어진 회로를 재건하기 위해 적절한 파트너와 연결되어야 합니다. 핵심적인 질문은 여전히 답하기 어려운 상태로 남아 있습니다. 정확히 어떤 세포와 연결이 복구하는 데 가장 결정적인가, 그리고 새로운 세포가 올바른 종류인지가 중요한가 하는 점입니다.

인체 수술의 위험 없이 이를 탐구하기 위해, 연구진은 작지만 놀라울 정도로 복잡한 모델인 초파리에 주목했습니다. 초파리의 신경계는 매우 상세하게 매핑되어 있으며, 모든 단일 뉴런과 그 연결이 식별되어 '커넥톰(connectome)'이라 불리는 완전한 배선도를 형성하고 있습니다. 이 지도는 과학자들이 컴퓨터 모델을 통해 특정 세포 집단의 손실을 시뮬레이션하고, 그에 따른 파리의 행동 변화를 관찰할 수 있게 해줍니다. 이 연구에서 연구진은 165,000개 이상의 뉴런을 포함한 수컷 초파리의 전체 신경계 디지털 버전을 사용하여, 비행의 조향(steering) 과정을 시뮬레이션했습니다. 주변 세계의 움직임과 같은 시각적 정보를 모델에 입력함으로써, 그들은 뇌가 이러한 신호를 어떻게 처리하고 날개의 방향을 틀거나 직선 비행을 하도록 지시하는지 관찰할 수 있었습니다.

연구팀은 먼저 서로 다른 수의 뉴런 손실이 파리의 직선 비행 능력에 어떤 영향을 미치는지 테스트하는 것으로 시작했습니다. 그들은 뇌의 다양한 위치에서 1,000개에서 16,000개에 이르는 세포 집단을 제거했습니다. 결과는 손상의 크기만큼이나 손상된 위치가 중요하다는 것을 보여주었습니다. 시각 신호가 운동 회로로 전달되는 핵심 영역에서 4,000개의 뉴런을 제거했을 때, 파리의 직선 비행 능력은 붕괴되었으며 그 경로는 거의 무작위적으로 변했습니다. 이 영역에 발생한 심각한 부상을 가정한 특정 시뮬레이션에서, 파리의 전진 능력은 정상 용량의 단 6.5%까지 떨어졌습니다. 이 연구는 시각 정보를 운동 명령으로 전달하는 특정 경로가 가장 취약하다는 것을 확인시켜 주었습니다. 이 특정 경로가 손상되면 조향 제어 능력을 완전히 상실하는 반면, 다른 영역의 손상은 큰 영향을 미치지 않았습니다.

연구진은 그다음 더 어려운 질문을 던졌습니다. 만약 손실된 세포를 교체할 수 있다면 도움이 될 것인가, 그리고 어떤 세포를 선택하느냐가 중요할 것인가 하는 점이었습니다. 그들은 세 가지 다른 전략을 사용하여 100개의 소실된 뉴런을 교체하는 시뮬레이션을 수행했습니다. 첫 번째 전략에서는 동일한 영역의 무작위 뉴런을 사용하여 무작위로 연결했습니다. 두 번째 전략에서는 일반적인 유형을 기준으로 세포를 선택하여, 특정 종류의 세포는 이웃한 세포들과 자연스럽게 연결될 것이라고 가정했습니다. 세-번째이자 가장 정밀한 전략은, 소실된 세포와 정확히 일치하는 유형의 뉴런을 사용하고 원래 세포가 가졌던 것과 정확히 동일한 연결을 부여하는 것이었습니다.

결과의 차이는 극명했습니다. 연구진이 100개의 소실된 세포를 무작위 뉴런으로 교체했을 때, 파리의 움직임은 겨우 10%의 손실된 능력을 회복하며 아주 약간만 개선되었습니다. 두 번째 전략을 사용하여 세포 유형은 맞추되 구체적인 연결은 맞추지 않았을 때는 회복 정도가 더 나았으나 여전히 제한적이었습니다. 그러나 세 번째 전략, 즉 원래의 정체성과 배선을 모두 복원했을 때는 파리의 직선 비행 능력이 원래 용량의 62.5%까지 급증했습니다. 이 발견은 단순히 몇 개의 세포를 추가하는 것만으로는 부족하며, 새로운 세포가 올바른 종류여야 할 뿐만 아니라 예전의 세포가 그러했듯 정확하게 회로에 연결되어야 유의미한 차이를 만들 수 있음을 시사합니다.

또한 연구는 교체되는 세포의 수가 품질보다 덜 중요하다는 사실을 밝혀냈습니다. 무작위로 선택된 1,000개의 세포를 교체했을 때의 움직임 회복은, 원래의 연결을 가진 정교하게 선택된 100개의 세포를 교체했을 때 달성한 수준의 약 절반 정도에 불과했습니다. 이는 세포가 회로 내에서 수행하는 특정한 역할이 단순히 추가되는 조직의 양보다 더 중요하다는 것을 나타냅니다. 나아가 연구진은 최선의 교체 전략을 사용하더라도 파리의 내부 신경 신호가 완전히 정상으로 돌아오지는 않는다는 것을 발견했습니다. 움직임은 크게 개선되었지만, 기저의 뇌 활동은 다소 변형된 상태로 남아 있었는데, 이는 원래의 회로가 완벽하게 복구되지 않더라도 뇌가 효과적으로 움직이는 방법을 찾을 수 있음을 시사합니다.

이러한 시뮬레이션은 향후 실험을 위한 명확하고 검증 가능한 예측을 제공합니다. 즉, 손상된 운동 회로를 수리하려면 단순히 많은 수의 일반적인 세포를 이식하는 것이 아니라, 특정하고 결정적인 세포 유형과 그 정밀한 연결을 복구하는 것을 우선시해야 한다는 것입니다. 이 연구는 전적으로 초파리의 컴퓨터 모델을 통해 수행되었지만, 여기서 밝혀진 원리들은 인간의 뇌를 수리하는 방식에 대한 새로운 사고방식을 제시합니다. 이는 뇌졸중이나 척수 손상에 대한 세포 치료의 미래가 얼마나 많은 세포를 이식하느냐보다는, 올바른 세포를 올바른 위치에 올바른 연결과 함께 배치하는 정밀도에 달려 있을 수 있음을 시사하며, 초파리의 상세한 지도가 이러한 정밀함을 밝히는 데 도움을 주었습니다.