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[바이오토픽] 뇌 오가노이드(brain organoid)의 진화: 미숙아의 뇌파(腦波)와 비슷한 전기적 패턴
생명과학 양병찬 (2018-11-16 09:33)

A slice through a brain organoid shows more mature cortical neurons on the outer edge of the structure
A slice through a brain organoid shows more mature cortical neurons on the outer edge of the structure. Credit: Muotri Lab/UC San Diego

배양접시에서 자란 '미니 뇌(mini brain)'가 사상 최초로 인간과 비슷한 뇌파(brain wave) - 정확히 말하면, 미숙아(premature baby)에서 볼 수 있는 뇌파와 유사한 전기적 패턴(electrical pattern) - 을 자발적으로 생성했다.

이번 성과는 초기 뇌발생을 연구하는 과학자들에게 도움을 줄 것으로 보인다. 이 분야의 연구는 지금껏 지지부진한 편이었는데, 그 이유는 분석용 태아조직 샘플(참고 1)을 구하기가 어려우며, 자궁 속의 태아를 검사하는 것은 거의 불가능하기 때문이다. 많은 연구자들은 이러한 오가노이드(organoid)의 전망에 흥미를 보이고 있다(참고 2). 왜냐하면 3D 배지에서 배양되었을 때, 뇌에서 볼 수 있는 복잡한 구조 중 일부가 발달할 수 있기 때문이다. 그러나 이 기술은 '의식(consciousness)이 생길 수 있는 미니 조직 만들기'에 대한 윤리적 의문을 제기하고 있다.

UCSD의 앨리슨 무오트리(신경과학)가 이끄는 연구팀은 인간의 줄기세포를 자극하여 피질(cortex: 인지를 제어하고 감각정보를 해석하는 뇌 영역) 조직을 형성하도록 만들었다. 그들은 배지에서 수백 개의 뇌 오가노이드(brain organoid)를 배양한 다음 개별 세포들을 테스트하여, '발생 중인 인간의 뇌'에서 전형적으로 볼 수 있는 유전자 세트가 발현된 것을 확인했다(참고 3). 연구팀은 이번 연구결과를 이번 달 샌디에이고에서 열린 신경과학회 모임(Society for Neuroscience meeting; 참고 4)에서 발표했다.

놀라운 패턴

무오트리가 이끄는 연구팀은 미니 뇌의 표면 전체에서 전기적 패턴 - 즉 EEG 활성(electroencephalogram activity)을 지속적으로 기록했다. 그랬더니 6개월이 지나자, 그 오가노이드들은 기존의 뇌 오가노이드들보다 높은 속도로 발화(firing)함으로써 연구팀을 깜짝 놀라게 만들었다.

또한 뇌파도(EEG)의 패턴도 의외였다. 성숙한 뇌의 경우, 뉴런들이 예측 가능한 리듬(predictable rhythm)으로 발화하는 동기화된 네트워크(synchronized network)를 형성하는 게 상례다. 그러나 그 오가노이드들은 불규칙한 EEG 패턴을 보여, 발생중인 뇌에서 나타나는 동기화된 전기적 활성의 무질서한 폭발(chaotic burst)을 방불케 했다. 연구팀이 그 리듬을 미숙아의 EEG와 비교해본 결과, 수정 후 25-39주째에 태어난 영아의 것과 유사한 것으로 나타났다.

"우리가 만든 오가노이드들은 인간의 '진짜 뇌'와 근사(近似)하지 않다. 피질에 존재하는 모든 유형의 세포들을 포함하지 않으며, 다른 뇌영역들과 연결되지도 않는다"라고 무오트리는 말했다.

그러나 연구팀은 현재 그 오가노이드를 더 오랫동안 배양하는 연구를 진행하고 있다. 그들의 목표는 그것들이 계속 성숙하는지를 확인하는 것이다. 또한 그들은 그 구조체들을 다른 오가노이드(뇌나 인체의 다른 부위를 시뮬레이션 하는 오가노이드)들과 연결함으로써, 정상적인 피질처럼 기능하는지 여부를 확인할 계획이다.

뇌파 비교

"이것은 매우 흥미롭고 경이롭다"라고 펜실베이니아 대학교의 송홍준 교수(발생신경과학)는 말했다. "이번 연구는 예비적이지만, 미숙아의 EEG 패턴과 유사하다는 것은 궁극적으로 '뇌발달장애(예: 뇌전증, 자폐증) 연구에 유용할 수 있음을 시사한다"고 그는 덧붙였다.

"또한 EEG 패턴이 오가노이드에서 비롯되는 과정을 연구함으로써, 궁극적으로 '발생 중인 인간의 뇌에서 EEG 리듬이 발생하는 과정'을 이해하는 데 도움이 될 것으로 생각된다"라고 송 교수는 말했다.

그러나 모든 전문가들이 송 교수와 같은 의견을 갖고 있는 것은 아니다. "요컨대, 오가노이드의 뇌파가 미숙아의 것과 비슷하다고 해서, 똑같은 일을 한다고 볼 수는 없다"라고 핀란드 헬싱키 대학교의 삼프사 반하탈로(신경생리학)는 말했다. 그는 (무오트리가 오가노이드의 측정치를 비교하는 데 사용한) 영아의 EEG를 구축한 인물이다.

"그리고 오가노이드와 미숙아의 뇌가 똑같다는 것을 증명하기도 어렵다. 왜냐하면 '아기의 뇌에 깔려있는 배선'에 대한 지식이 너무 부족하기 때문이다"라고 UCSF의 아놀드 크릭스타인(신경학)은 말했다. "그 오가노이드에는 (진짜 뇌의 EEG 패턴을 추동하는) 핵심요소가 누락되었을 수 있다"고 그는 덧붙였다.

의식의 기원

"그럼에도 불구하고, 이번 프로젝트는 '오가노이드에서 의식이 생길 수 있는가'에 대한 윤리적 의문을 제기 한다"라고 앨런 뇌과학연구소의 CSO(chief scientific officer)인 크리스토프 코흐(신경과학)는 말했다. "미숙아의 뇌파에 근접할수록, 더욱 조심해야 한다"고 그는 덧붙였다.

그러나 '오가노이드가 의식을 갖게 되는 시점'을 알아내기는 어려울 것이다. 왜냐하면 연구자들은 심지어 '성인의 의식을 측정하는 방법'과 '영아의 의식이 나타나는 시점'에도 합의하지 못하고 있기 때문이다.

"오가노이드가 자아인식(self-awareness)을 보유한다는 증거가 입수되는 순간, 우리는 프로젝트를 중단할 예정이다. 그러나 현재로서 오가노이드들은 매우 원시적이다. 현 단계에서 오가노이드는 회색지대(grey zone)에 있으므로, 그 잠재력에 대해 명확한 의견을 제시할 수 있는 사람은 아무도 없을 것이다"라고 그는 말했다.

관련 동영상 보기
Reconstructing the Brain in a Dish: Emergence of Neuroinflammation from Retrotransposons
https://youtu.be/Oh7NlA6USJY


※ 참고문헌
1. https://www.nature.com/articles/d41586-018-06841-z
2. https://www.nature.com/news/the-boom-in-mini-stomachs-brains-breasts-kidneys-and-more-1.18064
3. Trujillo, C. A. et al. Preprint at bioRxiv (2018); https://doi.org/10.1101/358622
4. https://www.sfn.org/Meetings/Neuroscience-2018

※ 출처: Nature https://www.nature.com/articles/d41586-018-07402-0

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
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