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[영틀신반] Episode #41 - 인비져블 맨 (The Invisible Man)...투명한 뇌와 장기들
종합 madpatcher (2022-05-10)

Episode #41

“ 인비져블 맨 (the Invisible man)” - 투명한 뇌와 장기들

 

‘보이지 않는다.’
 

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출처: https://en.wikipedia.org/wiki/The_Invisible_Man_(2020_film)


어릴 적에 누구나 한번쯤은 투명인간이 되고 싶다고 생각했을 것이다. 나의 존재가 보이지 않게 되면, 어떤 것이든 마음대로 할 수 있을 것만 같은 상상을 해보곤 했다. 1993년에 ‘투명인간’이라는 영화를 리메이크한 작품이 바로 이번 연재의 소재 영화이다. 투명인간과 신경과학이 어떤 관련이 있을까?라고 질문할 수 있다. 신경과학분야에서 여러 가지 연구방법들이 개발되고 있는데, 그중에 하나가 뇌를 투명하게 만드는 기술이다. 이 방법을 사용하면, 뇌 속의 특정 단백질 또는 분자물질 등을 표지하여, 3차원 영상을 통해 구조적, 해부학적 연결이나 기능을 좀 더 이해하는 데 큰 도움이 된다. 투명인간까지는 아니지만, 뇌를 포함한 주요 장기들을 투명하게 만드는 기술을 이번 연재를 통해 소개한다.

‘모든 것을 통제하려는 소시오패스 남자에게서 도망치는 세실리아 ’

파도가 치는 바다. 그리고 그 바다가 바로 앞에 보이는 호화 저택. 이 집에는 주인공인 세실리아와 남편인 애드리안이 살고 있다. 어느 날 밤, 세실리아는 옆에서 자는 남편을 침대에 두고 아주 조용히 일어나서, 남편이 잠들기 전에 세실리아가 먹였던 진정제를 화장실에 몰래 버린다. 그리고 나서 자신이 숨겨 놓았던 짐을 찾아들고, 집안과 밖의 CCTV를 모두 끄고, 보안 알람을 해제한 다음 차고로 나온다. 집을 다 나왔다는 안도의 숨을 쉬려는 순간, 뒤에서 인기척이 난다. 뒤 돌아보니, 세실리아와 애드리안이 키우던 개 ‘제우스’가 뒤따라 나온 것이다. 개가 불쌍하다고 생각한 세실리아는 개 목에 매여있는 전기 목줄을 풀어준다. 그런데, 그 순간 개가 주차된 차를 건드려서 차의 경보음이 작동한다. 세실리아는 서둘러 집 담장을 넘어 숲으로 달리기 시작한다. 어두운 숲길에서 세실리아는 누군가를 초조하게 기다리고, 차가 다가오자 반가워하며 올라탄다. 그 과정에서 신경안정제를 떨어뜨린다. 차를 운전하는 사람은 세실리아의 언니 ‘에밀리’였고, 빨리 출발하자고 말하는 사이에, 잠에서 깬 애드리안이 쫓아와서 차 유리창을 부수고 세실리아를 붙잡는다. 하지만, 에밀리가 차를 전속력으로 운전하면서, 애드리안을 떨쳐낸다.

‘투명한 뇌 조직’

뇌를 투명하게 하는 Brain CLARITY는 Tissue clearing으로 불리기도 한다. 대략 2013년에 처음 보고된 기술로 알려져 있으며, 뇌의 빛 투과성을 높여 투명하게 보이는 기술이다. 이 기술에 장점은 앞서 언급한 것처럼, 특정 분자물질을 표지하여 3차원으로 시각화하여 관찰할 수 있다는 것이다. 이를 위해선, 뇌 조직을 nanoporous hydrogel-hybridized form으로 변형을 시켜야 한다(그림 1).
 

인비져블 맨

그림 1. CLARITY. 조직은 hydrogel monomers(파란색)가 있는 상태에서 formaldehyde(빨간색)와 crosslink를 형성한다(step 1). monomers와 crosslink를 형성 후, hydrogel mesh에 polymerzied 된다(step 2). 마지막 단계에서, electric field가 조직 샘플을 가로질러 형성되게 한다. lipids가 빠져나오고, fine structure만 남기게 된다(step 3) (출처 1).


Tissue clearing 과정을 거친 뇌는 투명인간처럼 거의 투명하게 보인다. 이전까지는 2차원을 뇌 구조를 살펴보고, 각 뇌 부위별의 projections을 볼 수 있었다. 하지만, 단편적인 부분들이기에 제한적인 요소들이 많았다. 하지만, Tissue clearing을 통해 뇌 전체가 투명해진 상태에서는 특정 형광물질을 이용하여, 좀 더 구체적인, 직접적인 형태를 관찰할 수 있다(그림 2).
 

인비져블 맨

그림 2. Adult mouse brain의 Tissue clearning.  Tissue clearning을 하기 전과 후의 모습, 그리고 eYFP가 발현된 상태(a, d, c). Single photon microscopy(1p)를 이용하여, 뇌를 Dosal aspect에서 한번 그리고 Ventral aspect에서 이미징을 하였다(d). 촬영된 이미지들을 3D rendering 하였다(e). 3D rendering 된 이미지에서 특정 부위들을 target 하여 촬여한 이미지들 이전의 제한된 뇌 부위만을 관찰할 수 있던 것과는 달리, 이웃 부위들까지 한 번에 다 관찰할 수 있는 장점이 있다(f)(출처 1).
 

‘죽었다는 남편의 존재가 느껴진다.’

세실리아가 애드리안을 떠난 지 2주 뒤, 세계 최고의 광학 기술 연구자가 죽었다는 제목의 기사를 보게 된다. 세실리아는 어릴 적부터 친구였던 지금은 경찰은 제임스의 집에 머물고 있다. 하지만, 애드리안이 자신을 보고 있다는 느낌에 집 밖을 나가지 못하고 있다.

다음 날, 제임스의 집으로 애드리안의 유언장에 관한 내용이 담긴 편지가 오자 세실리아는 에밀리와 함께 애드리안의 동생이자 유산에 대해 전적으로 담당하고 있는 변호사 톰을 찾아간다. 애드리안의 유언은 유산 500만 달러를 매달 그녀의 계좌로 10만 달러씩 지급하는 내용이 담겨있었다. 대신 조건이 있었는데, 범죄를 저지르지 않거나, 정신적으로 이상이 없을 시에만 지급되기로 한다는 것이다. 이후, 세실리아는 점차 안정을 취하는 것 같다. 제임스에게 새 사다리를 사주고, 제임스의 딸 시드니가 원하는 패션 학교에 진학할 수 있도록 학자금도 계좌로 입금해준다.

평화가 찾아오는 듯한데, 이 후로 이상한 일들이 벌어지기 시작한다. 이른 아침, 식사 준비를 하던 중, 시드니를 깨우기 위해 자리를 비운 사이, 도마 옆에 있던 나이프가 사라지고, 베이컨을 굽던 프라이팬에 불이 붙기 시작한다. 다행히 시드니가 일어나 소화기로 진화한다. 또, 깊은 밤, 혼자 있던 세실리아는 방에서 알 수 없는 인기척을 느끼게 된다. 갑자기 현관문이 열려있는 것을 발견하고, 밖으로 나가보는 데, 아무도 없다. 그녀 옆으로 살짝 입김이 허공에 보인다. 하지만, 세실리아는 이를 인지하지 못하고, 다시 잠에 든다. 그 사이 덮여있던 이불이 스르륵 걷히고, 카메라 불빛이 번쩍인다. 눈을 뜬 세실리아는 주위를 살피지만, 아무것도 못 보고, 이불을 줍다가 의자에서 소리가 나는 듯하여, 이불로 의자를 덮었으나, 아무것도 없었다.

불안감으로 시달리던 세실리아는 일자리를 알아보기 위해 한 회사에 면접을 보게 된다. 그녀는 면접관에게 파리에서 살 던 이야기를 하며, 중요한 포트폴리오를 보여주려고 가방을 열었는데, 사라졌다는 것을 알게 된다. 세실리아는 당황하지만, 면접관은 괜찮다고, 서류로 보내주어도 괜찮다고 한다. 세실리아는 혼란에 휩싸인 채 아무런 말도 귀에 들리지 않게 되면서, 결국 기절하고 쓰러진다. 병원으로 옮겨진 그녀는 검사를 받게 된다.

며칠 뒤 샤워를 하던 세실리아는 병원으로부터 혈액 검사 결과를 듣게 되는데, 혈액에 신경안정제 성분이 과다 검출이 되었다고 한다. 욕실 세면대를 보니, 애드리안에게서 탈출하 던 날 밤에 잃어버린 신경안정제가 놓여있었다. 애드리안이 죽지 않고, 스스로 보이지 않는 방법을 찾은 거라고 확신하게 된다. 세실리아가 작성하지 않은 이메일이 에밀리에게 전송이 되었는데, 폭언이 담겨있었고, 에밀리와는 등을 지게 된다. 그날 울고 있는 세실리아를 달래주기 위해 시드니가 케이크를 먹으면, 기분 전환을 하자고 하는데, 갑자기 시드니가 얼굴을 세게 맞는다. 겁에 질린 시드니는 제임스에게 달려가고, 제임스는 세실리아가 때렸다고 생각하고, 딸을 데리고 집 밖으로 피신하게 된다. 혼자 남겨진 세실리아는 애드리안이 분명 안 보이는 모습으로 꾸민 것이라 확신하고, 애드리안의 핸드폰에 전화를 건다. 그런데, 방 천장에서 핸드폰의 진동소리가 들린다.

‘신체 장기들도 Tissue clearing이 가능할까?’

Tissue clearing은 많은 연구 그룹에서 계속 더 나은 결과를 얻기 위해 그 방법을 개선하고 보고하고 있다. Tissue clearing은 뇌만 해당되는 것은 아니다. 여러 연구 그룹에서 뇌 이외의 장기들에 적용하고 있으며, 각 장기들의 3차원 이미지는 질병 관련 연구에 큰 도움이 되고 있다고 한다(그림 3).
 

인비져블 맨

그림 3. 뇌 이외의 장기들에 CLARITY 적용. Mouse spleen의 CLARITY 전과 후, 그리고 CD34 immunohisochemistry를 한 결과 (a). propidium iodide로 염색된 mouse intestin (b). smooth muscle actin으로 표지 된 mouse kidney (c). propidium iodide로 염색된 mouse testis (d). collagen으로 표지 된 mouse lung (e). propidium iodide로 염색된 mouse muscle (f) (출처 2).


이렇게 꾸준히 방법 연구가 되고 있는 tissue clearing은 뇌뿐만 아니라 다른 장기에도 적용이 가능하기에, 기존 연구방법과 연구주제들의 확장을 모색해 볼 수 있다. 

‘투명하게 만들어 주는 전신 슈트’

방 천장에서 애드리안의 핸드폰을 발견한 세실리아는 애드리안의 집으로 다시 간다. 그녀가 집을 몰래 빠져나오던 그날, 얼핏 보았던 장치를 기억하게 되고, 애드리안의 집안 연구실로 간다. 그 연구실 안에 있는 전신 슈트는 카메라가 전신에 탑재된 클로킹 슈트였다. 세실리아는 그 슈트를 꺼내서 드레스 룸의 환풍구에 숨긴다. 슈트의 진실을 알게 된 세실리아는 에밀리에게 연락을 하여, 사람이 많은 장소에서 만나자고 한다. 식당에 마주 앉은 세실리아와 에밀리, 세실리아는 애드리안이 살아 있음을 확신한다고 말하고, 그 증거가 있다고 말하는 데, 갑자기 세실리아의 앞에 있던 나이프가 공중에 뜨더니, 순식간에 에밀리의 목을 베고 세실리아의 손에 쥐어진다. 에밀리는 과다출혈로 사망하게 되고, 세실리아는 갑작스러운 일에 어안이 벙벙한 채 나이프를 쥐고 있다. 주변 사람들은 비명을 지르고 달아나고, 경찰이 도착해서 그녀를 정신 병동으로 데려가 가둔다. 경찰 조사에서 세실리아는 지금도 보이지는 않지만 자신을 죽이려는 애드리안이 함께 있으며, 자신을 계속 스토킹 한다고 말한다. 그러나 경찰들이 믿어 줄리 없다. 애드리안의 동생, 톰과 유언장의 조건으로 다투던 중, 만년필을 몰래 훔치게 되고, 그 만년필로 애드리안이라 생각되는 투명 슈트를 입은 자의 몸통을 가격하게 된다. 슈트는 오작동을 일으키며, 보이다 안 보이다를 반복한다. 소란스러운 소릴 듣고, 경찰들이 병동 문을 열었을 때, 세실리아는 탈출한다.

‘Tissue clearing의 여러 방법’

앞서 언급했던 것처럼, 여러 방법들이 연구되어 적용되고 있다. 최근 리뷰 논문을 보면, 현재까지 보고된 방법들을 잘 정리해서 보여준다(그림 4).
 

인비져블 맨

그림 4. 주로 사용되는 tissue clearing methods와 각각의 특징들. (a) Hydrophobic method. 이 방법은 완전히 탈수된 조직에 해당된다. 이 방법은 일반적으로 빠르고 거의 조직을 깨끗하게 투명하게 할 수 있다. 하지만, 몇몇 hydrophobic methods는 형광단백질의 신호는 빠르게 bleaching 할 수 있다. (b) Hydrophilic methods. 이 방법은 친수성 용액들을 기반으로 한다. 이 방법은 탈색소화 과정을 시작으로 한다. 몇몇 방법들은 좀 더 긴 incubation time을 요구한다. (c) Hydrogel-based method.  monomers 또는 initiator molecules 등을 이용하여, reinforced tissue gel을 만드는 것이 특징이다. 이 방법 역시 longer incubation time을 요구한다 (출처 3).


이렇게 여러 방법으로 얻어진 결과/정보들은 CUBIC Atlas를 통해 서로 공유하게 된다. 앞서 보여준 그림들처럼, 3차원 이미지가 2차원 정보와 얼마나 차이나는 지를 알 수 있으며, Whole-brain view에서 각각의 뇌 부위로 나누어 관찰이 가능하다는 것이 중요한 특징이다. 예를 들어 특정 약물을 통해 뇌의 활성을 유도했을 때, 어느 뇌 부위에서 얼마나 활성이 유도되는 지를 전체적으로 파악할 수 있다. 또한, 활성되는 부분별 clustering을 통해 분석이 다양하게 이뤄질 수도 있다(그림 5).
 

인비져블 맨

그림 5. Whole-brain single-cell-resolution imaging and analysis. (a) Tissue clearing을 통해서 얻어진 뇌를 이미징 하고, 분석을 거쳐 CUBIC Atlas에 등록을 한다. 이렇게 등록된 정보들은 많은 연구자들에게 공유가 되어 각자의 연구에 중요한 역할을 하게 된다. (b) Hydrophilic tissue-clearing을 통해 얻어진 adult mouse brain images. propidium iodide를 이용해서 nuclear를 염색 후 Cerebral cortex, Hippocampus, Cerebellum, Thalamus를 관찰. (c) 3D single-cell-resolution mouse brain atlas CUBIC-Atlas. (d) Whole-brain neuronal activity profile. NMDA receptor inhibitor (MK-801)을 처리 또는 처리하지 않은 뇌의 활성을 비교. (e) Clustering analysis. MK-801을 처리한 뇌 이미지를 이용하여, clustering analysis를 한 예시 (출처 3).


대략 2013년에 tissue clearing (CLARITY)가 논문으로 투고된 이후, 9년 정도의 시간을 거치면서, 방법의 개선과 발전이 많이 이뤄진 것 같다. 대부분의 tissue clearing의 대상체가 mouse이고, 뇌를 주로 다뤘지만, 다른 장기들도 가능하다는 것을 보였다. 빠른 속도의 기술 발전은 human cell atlas를 향하고 있다(그림 6).
 

인비져블 맨

그림 6. 3D developmental human cell atlas. Solvent-based tissue clearing은 human embros의 visualiztion에 특히 적합하다. (a) Peripheral nerves. (b) Mullerian and Wolffian ducts와 kidney. (c) 등, 손, 머리의 근육. (d) hand vascularture. (e) three sensory nerves of hand. (f) lung pithelial tubules (출처 3).

‘투명인간의 실체, 그리고 범행의 실체’

제임스의 딸인 시드니는 혼자 집에 남겨져 있는데, 인기척에 잠을 깨고 만다. 불안감에 호신용 스프레이를 뿌렸다. 고통스러워하는 투명인간은 시드니의 가구와 물건을 던진다. 제임스가 이때 나타나 투명인간을 제압하려 하지만 역부족이다. 순간, 세실리아가 나타나 소화기를 투명인간에게 뿌린다. 소화기의 하얀 가루로 실체가 드러난 투명인간은 세실리아로부터 총을 여러 차례 맞고 쓰러진다. 얼굴을 덮고 있던 슈트 복면을 벗겨 낸, 세실리아는 투명인간이 애드리안이 아닌 톰임을 확인한다. 특수부대원들이 애드리안의 집을 수색하고, 지하실 벽 너머에 인기척을 확인, 애드리안이 결박당한 채로 갇혀있는 것을 발견한다. 이후, 경찰은 톰이 애드리안을 납치, 감금 후 투명 슈트를 입고 지금까지의 모든 범행을 자행한 것으로 결론 내린다.

세실리아는 그날 밤, 애드리안에게 전화하고 집으로 저녁식사 시간에 찾아간다. 애드리안에게 재결합을 원한다면, 모든 것을 인정하고 실토하라고 말한다. 결국, 자백을 들은 세실리아는 숨겨 놓은 투명 슈트를 입고, 애드리안을 죽이게 된다. CCTV에는 애드리안이 자살하는 것처럼 보인다. 이렇게 영화는 막이 내린다.

사실 이번 연재의 영화는 뇌의 투명 기술에 관한 표현을 직접적으로 하지는 않았다. 광학기술을 이용하여, 사람이 보는 시각에 혼란을 일으켜, 마치 투명한 것처럼 보이는 기술을 표현했다. 하지만, 투명하게 만든다는 관점에서, 신경과학분야에 무엇이 관련이 있을까 하는 생각에 Tissue clearing/Brain CLARITY를 다뤄보았다. 연구를 위한 새로운 기술들이 발전하면서, 이전에는 막연했던 연구주제의 실현성이 점점 구체화되고 현실화되는 것을 볼 수 있다.


출처:

1. Chung, K., Wallace, J., Kim, S. Y., Kalyanasundaram, S., Andalman, A. S., Davidson, T. J., ... & Deisseroth, K. (2013). Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature, 497(7449), 332-337.

2. Epp, J. R., Niibori, Y., Hsiang, H. L. L., Mercaldo, V., Deisseroth, K., Josselyn, S. A., & Frankland, P. W. (2015). Optimization of CLARITY for clearing whole-brain and other intact organs. eneuro, 2(3).

3. Ueda, H. R., Ertürk, A., Chung, K., Gradinaru, V., Chédotal, A., Tomancak, P., & Keller, P. J. (2020). Tissue clearing and its applications in neuroscience. Nature Reviews Neuroscience, 21(2), 61-79.

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  댓글 1 댓글작성: 회원 + SNS 연동  
네이버회원 작성글 이환  (2022-05-11 16:58)
1
ep1부터 여기까지 전부 다 봤네요 너무 재밌게 읽었습니다 감사합니다 ^^
 
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