뇌의 숨겨진 통제 센터를 지도화하다
신경과학자들은 100년 넘게 초기 지도 제작자들이 미지의 땅을 그렸던 것처럼, 흩어진 관찰 결과를 모아 인간 뇌라는 광대한 지형을 연구해 왔다. 오늘날에도 알츠하이머병을 진단하는 병리학자는 약 860억 개의 뉴런을 지닌 기관에서 대개 조직 표본 몇 개만 살펴본다. 이렇게 제한된 시야로는 뇌의 많은 부분을 볼 수 없다.
목차
인도공과대학 마드라스(IIT-M)의 수다 고팔라크리슈난 뇌센터(SGBC) 과학자들은 이 간극을 메우는 데 중요한 발걸음을 내디뎠다고 밝혔다. 이들은 세포 수준에서 인간 뇌간을 상세히 보여주는 세계 최고 정밀도의 3D 지도를 제작했다. ‘3D 재구성을 통한 인간 뇌간 신경화학적 특성 지도(Atlas of Neurochemical Characterisation of the Human Brainstem with 3D Reconstruction)’의 약자인 ANCHOR라는 이름의 디지털 지도는 모든 구조를 정확한 위치에 유지하면서 연구자들이 뇌 전체의 MRI 영상에서 개별 신경세포까지 살펴볼 수 있도록 한다.
이 지도는 태아기, 아동기, 성인기 뇌에서 채취한 500개가 넘는 조직 절편을 결합했다. 면역염색이라 불리는 8가지 화학 표지자가 서로 다른 신경화학적 세포 유형을 구별하는 데 도움을 준다. 그 결과 뇌간 전반에서 200개가 넘는 뇌세포 집단과 신경 경로를 식별했다. 분자 지도를 만드는 데 더 많은 비용이 드는 것과 달리, ANCHOR는 고해상도 현미경 영상으로 제작돼 세포 수준의 정밀한 지도화를 더 저렴하고 확장하기 쉽게 한다.
이 프로젝트는 정부와 학계, 자선 분야의 주요 인사들이 참석한 가운데 IIT 마드라스에서 열린 제3회 BRICS 신경과학 심포지엄 2026에서 공개됐다. 이번 공개는 과학적 이정표인 동시에 세계 신경과학 분야에서 인도의 역할이 커지고 있음을 보여줬다.
뇌간이 신경과학의 마지막 미개척 영역으로 남은 이유
뇌간은 뇌 아래쪽의 아주 작은 부분을 차지하지만, 생명을 유지하는 핵심 역할을 한다. 뇌와 척수를 연결하고 호흡, 심장박동, 혈압, 수면, 각성, 체온, 운동을 관장한다. 뇌간의 작은 세포 집단이 손상돼도 치명적일 수 있지만, 빽빽하게 들어찬 구조 때문에 이 영역을 상세히 지도화하는 작업은 오랫동안 어려움을 겪었다.
프로젝트를 이끈 연구자 중 한 명인 SGBC 선임 과학자 미하일 보타 박사는 뇌간이 척수를 통해 뇌와 나머지 신체를 연결하는 중요한 다리 역할도 한다고 설명했다. 뇌간에는 12쌍의 뇌신경 중 10쌍이 있으며, 자율 기능과 감정 조절, 목적 지향적 행동에 중요한 역할을 한다.
이 영역의 지도화가 특히 어려운 것은 수천 개의 신경세포와 신경섬유 경로가 좁은 공간에 촘촘히 들어차 있기 때문이다. 구조도 매우 다양하다. 서로 다른 신경핵과 통제 중추가 아주 짧은 거리 안에서 나타났다가 사라진다. 살아 있는 환자의 뇌간을 안전하게 생검할 수 없기 때문에 연구자들은 사후 조직과 얇은 절편, 염색, 영상화, 컴퓨터 재구성에 의존해야 한다. 이처럼 느리고 세심한 작업 때문에 기존 지도의 규모와 정밀도는 제한적이었다.
과학자들은 여러 동물 종의 뇌를 놀라울 정도로 상세히 지도화했지만, 인간 뇌 조직에 대한 정밀 연구가 드물어 인간 뇌는 상대적으로 덜 밝혀져 있다. 인간의 뇌는 각기 다르고, 윤리적·기술적·실무적 장벽 때문에 대규모 연구도 어렵다. ANCHOR는 인간 조직을 직접 활용해 만든 고해상도 기준 지도를 제공함으로써 이 간극을 메우는 데 도움을 준다.
ANCHOR 제작: 500개 절편에서 디지털 지도까지
ANCHOR 연구팀은 인간 뇌 전체를 세포 수준의 3D 데이터베이스로 변환하는 고속 뇌 영상·컴퓨팅 플랫폼을 개발했다. 기증받은 뇌를 수습해 엄격히 관리되는 시간 안에 처리하면서 작업이 시작된다. SGBC 센터장 모하나산카르 시바프라카삼 교수가 당근과 비슷한 모양이라고 설명한 뇌간을 두께 10~20마이크론의 절편으로 자른다. 마이크론은 사람 머리카락 굵기의 약 5분의 1에 해당하므로, 각 절단면은 매우 얇다.
이후 절편은 디지털로 지도화하고 주석을 달기 전에 화학적·생물학적 처리를 거친다. 첨단 인공지능 영상 도구와 고성능 컴퓨팅으로 절편을 매우 정밀하게 정렬해 원래 뇌간을 3차원으로 재구성할 수 있다. 약 20명의 과학자가 18개월 동안 200개가 넘는 뇌 절편을 수작업으로 분석하고, MRI 영상과 현미경 해부학, 3D 재구성을 하나의 지도에 결합했다.
서로 보완하는 8가지 면역염색 결과를 조직 절편에 겹쳐 표시했다. 이 화학 표지자들은 필터처럼 작용해 서로 다른 신경화학적 세포 유형을 강조한다. 그 결과 MRI, 블록면 영상, 세포 수준의 조직학을 결합한 다중 모달 자료가 만들어졌다. 연구자들은 뇌간의 특정 지점을 여러 해상도와 염색 방식으로 살펴볼 수 있어, 그렇지 않았다면 드러나지 않았을 해부학적·화학적 세부 정보를 확인할 수 있다.
세포 수준의 지도를 만들기 위한 뇌는 엄격한 조건에 따라 수습하고 처리해야 한다. 영상화를 방해할 수 있는 혈액 잔여물을 제거하고 조직의 온전함을 보존하기 위해 연구팀은 특수 처리 절차를 개발해야 했다. 이 작업에는 신경과학자와 신경해부학자, 조직학 전문가, 영상 전문가, 컴퓨터 과학자의 전문성이 필요했다.
뇌 전체 영상과 단일 세포 사이의 간극을 잇다
현대 신경과학은 오랫동안 두 개의 서로 다른 영역에서 이뤄져 왔다. MRI는 뇌 전체를 보여주지만 세포 수준의 세부 정보는 부족하다. 현미경은 개별 세포를 보여주지만, 서로 떨어진 절편에서만 관찰할 수 있다. 이 절편들과 더 큰 구조 사이의 공간적 관계는 흔히 사라진다. 그 결과 임상의와 연구자들은 영상에서 보이는 뇌와 현미경으로 관찰한 뇌를 서로 대응시키기 어려웠다.
ANCHOR는 이 간극을 좁히려 한다. 사용자는 MRI에 나타난 뇌간 전체에서 개별 뉴런까지 확대하면서도 정확한 공간적 관계를 유지할 수 있다. 이런 통합이 이 지도를 특별하게 만든다. 단순한 해부학 도해가 아니라 의료 영상과 세포 병리학을 잇는 다리다.
하버드 의대와 뉴욕대에 소속된 신경병리학자 레베카 포커스 박사는 SGBC 연구팀과 협력했다. 그는 30여 년 동안 수천 개의 뇌를 검사해 왔다. 포커스 박사는 이 자료가 오랫동안 품어 온 직업적 꿈의 실현이라고 말했다.
인도 센터가 만든 것은 사실 제가 경력 초기에 꿈꿨던 것입니다. 뇌 영상이 뇌의 현미경 해부학적 구조와 일치하는 것이죠.
타타 기초연구소의 인도 신경과학자 슈바 톨레 박사는 이 프로젝트를 공학과 신경과학, 의학의 “전례 없는 통합”이라고 평가했다. 그는 이 프로그램이 인도를 국제 무대에 올려놓는다고 말했다.
IIT 마드라스 인간 뇌 조직학 프로그램의 설계와 설립을 도운 콜드스프링하버연구소의 뇌 과학자 파르타 미트라 박사는 상세한 뇌 지도가 알츠하이머병이나 자폐증 등의 질환을 앓는 뇌가 건강한 뇌와 어떻게 다른지 세포 하나하나 살펴 밝혀냄으로써 신경질환 연구에 큰 변화를 가져올 수 있다고 말했다.
파킨슨병부터 뇌졸중까지: ANCHOR가 밝혀낼 수 있는 것
이 지도는 진단 도구가 아니다. 가장 큰 가치는 과학자들이 탐구할 질문을 제시하는 데 있다. 건강한 뇌간 지도와 질환이 있는 조직을 비교하면 연구자들은 파킨슨병과 뇌졸중부터 알츠하이머병, 영아돌연사증후군(SIDS)에 이르는 다양한 질환을 더 잘 이해할 수 있다.
파킨슨병은 뇌간 안에 있는 흑질에서 도파민을 생성하는 신경세포가 점차 소실되는 것과 관련이 있다. 뇌졸중은 아직 완전히 이해되지 않은 방식으로 조직을 손상시킬 수 있다. 알츠하이머병은 뇌간 영역의 변화와 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 더 정밀한 지도는 신경외과 의사들이 뇌에서 가장 섬세한 영역 중 하나를 더 확신을 갖고 살펴보도록 도울 수 있다.
포커스 박사는 뇌졸중을 사례로 들었다. 그는 이 지도가 손상됐지만 아직 회복 가능성이 있는 뇌 조직을 의사들이 보존하는 데 도움이 될 새로운 특징을 밝혀냈으며, 이를 통해 환자의 치료 결과를 개선할 가능성이 있다고 말했다.
미트라 박사는 ANCHOR와 같은 지도가 코로나19를 비롯한 감염병이 어떻게 장기적인 신경 손상을 일으키는지 설명하는 데도 도움이 될 수 있다고 덧붙였다. 뇌간은 호흡과 각성 같은 기능을 조절하므로 바이러스나 염증이 뇌간 세포에 미치는 영향을 이해하면 감염 후 증후군 연구에 새로운 길이 열릴 수 있다.
그 밖에 수면 의학, 발달 장애, 노화에 따른 변화 연구에도 활용될 수 있다. 뇌간은 배아 발달 초기에 형성되기 시작해 태아가 자궁 안에 있는 동안 중요한 신경 연결을 빠르게 구축한다. 이후 생애의 특정 시점부터 여러 뇌간 구조에서 뉴런이 소실되기 시작한다. 질병으로 무엇이 잘못되는지 규명하려면 이러한 정상적인 발달 및 노화 변화를 이해하는 것이 필수적이다.
오픈 사이언스, 국제 협력, BRICS 공개 행사
ANCHOR는 6월 5일부터 7일까지 IIT 마드라스에서 열린 제3회 BRICS 신경과학 심포지엄 2026에서 공개됐다. 심포지엄에는 BRICS 국가의 신경과학자와 임상의, 학자, 연구자들이 참석했다. 공개 행사에는 인도 정부 수석 과학고문을 맡고 있는 아제이 쿠마르 수드 교수가 주빈으로 참석했다. 인포시스 공동 창업자이자 SGBC의 주요 후원자인 크리스 고팔라크리슈난, IIT 마드라스의 V. 카마코티 총장, SGBC 센터장 모하나산카르 시바프라카삼 교수도 함께했다.
수드 교수는 행사에서 뇌간 병변의 영향을 받는 특정 세포 집단을 파악하는 데 이 지도가 도움이 될 수 있으며, 이는 임상 적용에 매우 중요할 수 있다고 말했다. 그는 이 프로젝트를 신경생물학 분야의 큰 성과라고 평가하고, 기관과 국가, 학문 분야의 경계를 넘나드는 센터의 역할을 높이 평가했다.
이번 성과는 신경생물학 분야에서 중요한 업적입니다. MRI와 조직학, 상세한 화학적 구조를 통합한 다중 모달 체계입니다. 인간 뇌간을 가장 상세하고 포괄적으로 보여주는 지도가 될 것이며, 디지털 형태로 대중에게 공개될 예정입니다.
조직을 확보하는 데는 인도 의료기관의 협력도 필요했다. CMC 벨로르와 정부 킬포크 의대, 스리 라마찬드라 고등교육·연구소, 메디스캔 시스템스는 다양한 연령과 배경을 지닌 사람들의 뇌를 확보하는 데 도움을 줬다. 병원과 엔지니어, 신경과학자 간의 협력은 지도를 만드는 데 필수적이었다.
연구진은 웹사이트 anchor.humanbrain.in에서 ANCHOR를 공개하고 있다. 오픈 액세스는 프로젝트 설계의 핵심이다. 연구팀은 이 지도가 제한적인 내부 자료가 아니라 공동으로 활용하는 기반 시설이 되기를 바란다.
더 큰 목표: 생애와 질환 전반에 걸친 뇌 100개 지도화
ANCHOR는 삶의 여러 단계와 신경학적 질환에 걸쳐 인간 뇌의 포괄적인 세포 수준 지도를 만드는 SGBC의 더 큰 노력의 일부다. 센터는 2024년 발달 중인 태아 뇌를 상세히 담은 지도인 DHARANI를 공개했다. 현재 연구진은 임신 3분기와 초기 아동기, 다양한 신경질환을 다루는 추가 지도를 제작하고 있다.
진행 중인 프로젝트 중 하나는 허혈성 뇌졸중을 겪은 뇌의 상세 지도다. 연구팀은 이를 내년 안에 공개할 예정이다. 센터는 알츠하이머병과 치매를 포함해 생애 전반과 신경질환에 걸친 인간 뇌 전체 100개 이상을 영상화할 계획이다. 이를 통해 질환이 뇌를 세포 단위로 어떻게 바꾸는지 보여줄 수 있는 참고 자료를 구축한다.
시바프라카삼 교수는 이번 성과가 과학적 업적인 동시에 의학과 임상 진료에 큰 도움이 될 발전이라고 말했다. 임상의가 MRI나 CT보다 훨씬 높은 해상도로 뇌간의 상세한 모습을 알 수 있게 된 것은 이번이 처음이다. 그는 뇌 수술을 비롯한 여러 분야에서 활용될 것으로 기대한다고 밝혔다.
센터의 주된 재원은 인포시스 공동 창업자 크리스 고팔라크리슈난과 그의 아내 수다 고팔라크리슈난의 기초 기부금이다. 민간 기관과 자선단체의 보조금, 인도 정부의 초기 지원금도 받고 있다. 현재 연구팀에는 약 20개국의 협력자들과 함께 일하는 연구자와 엔지니어, 기술자가 200명 넘게 참여하고 있다.
이 연구가 세계 신경과학에 중요한 기여를 하기를 바랍니다. 인도에는 합리적인 비용의 과학과 기술에 대한 인식이 있습니다. 결국 기술은 사회와 사람들에게 기여해야 하기 때문입니다.
타타 기초연구소 생명과학부 선임 교수이자 공동 학과장인 비디타 A. 바이드야 교수는 ANCHOR와 같은 오픈 액세스 연구 자료가 국제 협력을 증진하고 발견을 앞당기는 데 중요하다고 말했다. 그는 SGBC가 신경해부학 분야를 이끌고 세포 지도에 분자 세부 정보를 덧입히는 공간 전사체학으로 연구를 확장하는 가운데, 인도가 세계 신경과학 연구의 주요 거점으로 부상하고 있다고 평가했다.
핵심 내용
- IIT 마드라스 수다 고팔라크리슈난 뇌센터 연구진이 세포 수준으로 인간 뇌간을 보여주는 무료 3D 지도 ANCHOR를 공개했다.
- 이 지도는 태아기와 아동기, 성인기 뇌에서 채취한 500개가 넘는 조직 절편의 MRI, 고해상도 조직학 자료, 8가지 신경화학 표지자를 결합했다.
- 뇌간 신경핵과 신경섬유로 200개 이상을 식별해 과학자들이 뇌 전체 영상에서 개별 신경세포까지 살펴볼 수 있도록 한다.
- 뇌간은 호흡과 심장박동, 혈압, 수면, 각성, 운동을 조절하므로 임상 연구에는 상세한 지도가 필수적이다.
- 파킨슨병과 뇌졸중, 알츠하이머병, 수면 장애, 영아돌연사증후군(SIDS) 연구와 신경외과 수술 계획 등에 활용될 가능성이 있다.
- ANCHOR는 현재 진단 도구가 아닌 연구 자료이며, 동료 심사를 기다리는 bioRxiv 사전 공개 논문으로 발표됐다.
- SGBC는 앞서 제작한 태아 뇌 지도 DHARANI를 바탕으로 생애 전반과 신경질환을 아우르는 인간 뇌 전체 100개 이상을 지도화할 계획이다.
