슈퍼컴퓨터의 결함

너의 뇌는 세계에서 가장 진보된 슈퍼컴퓨터야. 하지만 헌팅턴병(HD)에서는 이 컴퓨터의 핵심 프로세서가 오작동하기 시작해. UCLA의 한 연구팀은 첨단 영상 기술을 사용해 HD의 영향을 가장 많이 받는 뇌 부위에서 고장 난 특정 회로를 식별하고 시각화했어. 그리고 질병이 이 회로들을 어떻게 다르게 만드는지도 확인했지. 연구팀은 HD에서 영향을 받는 뇌 중심 부위(선조체)의 특정 회로인 ‘중형 다극 신경세포(medium spiny neurons)’가 정상보다 연결성이 떨어지고 돌기(spine)도 적다는 사실을 발견했어.

세상에서 가장 복잡한 컴퓨터

세상에서 가장 복잡한 컴퓨터는 마이크로칩으로 만들어진 게 아니야. 바로 네 머릿속에 있지. 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 연산 능력 면에서는 인간의 뇌와 경쟁할 수 있을지 몰라도, 뇌의 놀라운 유연성과 효율성을 따라올 수 있는 건 아무것도 없어.

대략적인 예를 들어볼게. 현재 캘리포니아에 있는 ‘엘 캐피탄(El Capitan)’이라는 가장 강력한 슈퍼컴퓨터는 테니스 코트 두 개 면적에 최첨단 장비를 가득 채우고 있고, 작은 마을 하나가 쓰는 에너지를 소비해. 반면 뇌는 자몽 정도 크기에 희미한 전구 하나 정도의 에너지만 쓰면서도 기적적으로 같은 컴퓨팅 능력을 발휘하지. 엘 캐피탄은 춤을 추거나 노래를 부르고, 공을 잡는 등 네 뇌가 할 수 있는 수많은 놀라운 일들을 할 수 없다는 건 말할 것도 없고!

네 머릿속의 이 놀라운 컴퓨터가 어떻게 작동하는지, 그리고 HD에서 어떻게 오작동하는지 이해하는 건 분명 가치 있는 일이야. 그렇다면 이 컴퓨터의 어느 부분이 HD의 영향을 받고, 무엇이 잘못되고 있는지 어떻게 알 수 있을까? UCLA의 한 첨단 연구팀이 이 질문에 답하기 위해 몇 가지 독창적인 접근 방식을 적용했어.

HD에서의 중앙 컴퓨팅 오작동

뇌가 마이크로칩으로 만든 컴퓨터와 완전히 똑같지는 않지만, 몇 가지 공통점이 있어. 우선, 뇌는 입력과 출력을 통해 정보를 처리해. 이 처리는 마이크로칩의 회로와 비슷하게 작동하는 ‘신경세포(뉴런)’라는 특수한 세포를 통해 이루어지지. 그리고 컴퓨터처럼 뇌도 서로 다른 것들을 처리하는 여러 부분으로 나뉘어 있어.

뇌에는 무려 860억 개의 신경세포와 그만큼의 지지 세포가 있는데, 이걸 다 합치면 은하계의 별 개수만큼이나 많아. 이 모든 뇌세포로 네 뇌가 할 수 있는 일의 규모는 정말 놀라워. 엘 캐피탄은 근처에도 못 오지.

우리 뇌라는 놀라운 컴퓨터에서 가장 중요한 부분 중 하나는 ‘선조체’라고 불리는 뇌의 중심 영역이야. 선조체는 다시 미상핵과 조비핵으로 나뉘어.

선조체는 많은 뇌 과정이 모이는 ‘그랜드 센트럴 터미널’ 같은 곳이라고 생각하면 돼. 많은 회로가 연결되는 지점이지. 선조체는 HD에서 가장 많은 영향을 받는 뇌 부위 중 하나야. 그래서 통제되지 않는 움직임, 기분 문제, 사고의 어려움 등 HD의 증상이 매우 다양하게 나타나는 거야. 따라서 HD를 이해하려면 선조체를 이해해야 해.

HD에서 영향을 받는 특별한 종류의 회로

뇌의 어떤 부분에는 수십 가지 종류의 신경세포가 있지만, 다행히 선조체에서 발견되는 신경세포는 다른 부위만큼 다양하지 않아. 덕분에 선조체를 이해하기가 조금 더 쉽지.

선조체는 컴퓨터의 처리 클러스터와 같아서, 서로 비슷한 회로가 많이 모여 있다고 생각하면 돼. 선조체에 있는 이 회로들을 중형 다극 신경세포라고 부르는데, 선조체 신경세포의 대부분을 차지해. ‘중형 다극 신경세포’라는 이름이 지어낸 말처럼 들릴 수도 있지만, 과학자들이 실제로 그렇게 불러. 생김새 때문에 붙여진 이름이거든! 크기는 중간 정도이고 돌기(spine)가 아주 많아. 줄여서 MSN이라고 부르는 것도 봤을 거야.

왜 중형 다극 신경세포에는 돌기가 그렇게 많을까? 그건 각 중형 다극 신경세포가 뇌의 다른 많은 신경세포로부터 신호를 받기 때문이야. 그리고 이 신호들은 중형 다극 신경세포에서 뻗어 나온 작은 돌기를 통해 전달되지. 중형 다극 신경세포는 입력되는 신호가 많아서 돌기도 많은 거야. 아까 뇌의 그랜드 센트럴 터미널이라고 했던 거 기억나지?

중형 다극 신경세포는 분명 매우 중요하지만, 입력 신호가 많다는 것 외에 각각의 세포가 뇌의 나머지 부분과 정확히 어떻게 연결되어 있는지는 아직 몰라. HD에서 특히 취약한 것이 바로 이 중형 다극 신경세포인데, 과학자들은 이 세포들이 선조체의 오작동을 일으켜 HD 증상을 유발한다고 생각하고 있어.

3차원으로 회로 지도 그리기

놀랍게도 중형 다극 신경세포가 돌기가 많다는 점 외에 어떻게 생겼는지에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았어. 모두 똑같이 생겼을까? HD로 손상되면 어떤 모습일까? UCLA의 저명한 연구팀(X. 윌리엄 양 박사 주도)은 뇌 속 중형 다극 신경세포의 모습과 HD에서 어떤 변화가 일어나는지 지도로 그려보기로 했어.

이를 위해 연구팀은 중형 다극 신경세포가 현미경 아래에서 빛나도록 표시하고, ‘수지상 돌기’라고 불리는 각 돌기에도 표시를 했어. 사람의 뇌에는 이런 표시를 할 수 없어서 대신 선조체가 있는 생쥐의 뇌를 사용했지. 중형 다극 신경세포와 돌기(수지상 돌기)를 표시한 후, 선조체를 얇게 잘라 각 조각의 상세한 이미지를 찍어 중형 다극 신경세포가 어떻게 생겼는지 관찰했어.

이건 마치 작은 과일들이 들어있는 젤리를 얇게 썰어서 과일을 더 잘 보이게 하는 것과 비슷해. 덕분에 연구원들은 각 조각 안에서 중형 다극 신경세포가 3차원으로 어떻게 생겼는지 볼 수 있었지. 놀랍게도 중형 다극 신경세포를 이런 방식으로 관찰한 건 이번이 처음이야! 그럼 무엇을 발견했을까?

모든 회로가 똑같이 생긴 건 아니야

선조체는 사실 더 세부적인 처리 클러스터로 나뉘어 있어. 비록 그 안의 중형 다극 신경세포들이 모두 HD의 영향을 받긴 하지만 말이야. 그래서 연구팀은 이 서로 다른 클러스터들에 걸쳐 중형 다극 신경세포가 어떻게 생겼는지 평가하기로 했어.

연구팀은 돌기의 개수, 길이, 돌기가 더 작은 돌기로 갈라지는 빈도 등 중형 다극 신경세포에 관한 온갖 변수를 측정했어. 이건 컴퓨터의 특정 부분에 있는 회로를 보면서 각 회로의 길이가 얼마나 되는지, 어디로 연결되는지 연구하는 것과 비슷해.

흥미롭게도 중형 다극 신경세포는 선조체의 부위에 따라 조금씩 다르게 생겼어. 선조체의 어떤 부분에서는 돌기가 다른 곳보다 길고, 어떤 부분에서는 더 짧았지. 또 어떤 부분은 돌기 수가 더 많았고, 어떤 부분은 더 많이 갈라져 있었어. 선조체 내에서 이 중형 다극 신경세포들이 어떻게 연결되어 있는지에 대해 우리가 이전에 알았던 것보다 훨씬 더 많은 일이 일어나고 있는 게 분명해.

HD에서는 정상보다 회로 연결이 적어

선조체의 중형 다극 신경세포는 HD에 특히 취약해서, 병의 아주 초기 단계부터 오작동하고 사라지기 시작해. 그렇다면 과학자들은 HD에서 이 다양한 중형 다극 신경세포 회로의 모양과 겉모습에 대해 무엇을 관찰했을까?

이걸 연구하기 위해 연구팀은 똑같이 표시하고, 뇌를 자르고, 현미경으로 촬영했어. 하지만 이번에는 CAG 반복 횟수가 늘어난 HD 모델 생쥐를 대상으로 했지. 흥미롭게도 HD 생쥐의 중형 다극 신경세포는 덜 복잡하고 가지(branch)도 더 적었어.

이는 HD에서 중형 다극 신경세포와 뇌의 나머지 부분 사이에 있어야 할 회로 연결이 정상보다 적을 수 있음을 시사해. 다시 말해, HD에서 선조체가 오작동하는 것은 뇌의 나머지 부분과의 연결성이 떨어지기 때문일 수 있어. 마치 처리 코어가 컴퓨터의 나머지 부분과 연결을 잃는 것처럼 말이야.

HD의 영향을 받는 신경세포가 어떻게 뇌의 나머지 부분과 연결을 잃는지 이해하는 것은, 세포를 복구하거나 애초에 오작동하지 않게 막는 방법을 알아내는 데 매우 중요해. 이런 연구가 더 많아지면 앞으로 HD의 원인을 추적하고 치료하는 더 나은 방법을 개발할 수 있을 거야.

요약

• 너의 뇌는 세상에서 가장 복잡한 컴퓨터야
• HD는 이 컴퓨터의 특정 부분인 선조체를 오작동하게 만들어
• 중형 다극 신경세포라고 불리는 선조체의 특정 회로들이 HD에서 소실되는 것으로 보여
• 연구에 따르면 중형 다극 신경세포는 선조체의 부위에 따라 겉모습과 연결 상태가 조금씩 달라
• HD에서 중형 다극 신경세포는 덜 복잡해 보이고 연결도 더 적어