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[인터뷰] 바이오인공지능연구센터 ABC #006 | 이준호 생명과학부 교수

예쁜꼬마선충은 몸길이가 1mm도 되지 않는 아주 작은 생명체이지만, 현대 생명과학 연구에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 1960년대 시드니 브레너에 의해 도입된 이 모델 생물은 발생과 신경계의 신비를 풀기 위한 최적의 도구로 선택되었습니다. 대장균보다는 복잡하고 초파리나 생쥐보다는 단순한 구조 덕분에, 과학자들은 생명체의 신경망이 어떻게 형성되고 작동하는지를 세포 수준에서 정밀하게 관찰할 수 있게 되었습니다. 이러한 단순함은 복잡한 생명 현상의 근본 원리를 이해하는 열쇠가 됩니다. 신경 세포 300여 개의 모든 연결망을 의미하는 커넥톰 연구는 엄청난 시간과 노력이 필요한 작업입니다. 과거에는 전자현미경 사진을 일일이 수작업으로 분석해야 했기에 한 세대의 연구자들이 포기할 정도로 고된 과정이었습니다. 하지만 최근에는 인공지능 딥러닝 기술을 도입하여 신경 세포를 구분하고 시냅스를 예측하는 과정을 획기적으로 단축하고 있습니다. 인공지능은 사람이 수천 시간 걸려야 했던 작업을 단 몇 분 만에 처리하며, 기초 과학의 질문을 해결하고 연구의 지평을 넓히는 강력한 도구가 되고 있습니다. 염색체 말단에 위치한 텔로미어는 세포의 노화와 수명을 결정하는 핵심적인 구조물입니다. 선형 염색체를 가진 생명체는 복제 과정에서 끝부분이 조금씩 짧아지는데, 이것이 한계에 다다르면 세포는 분열을 멈추고 노화 단계에 진입합니다. 최근 연구에서는 기존 교과서에 실린 것과 다른 새로운 염기 서열의 텔로미어를 가진 선충을 발견하기도 했습니다. 이러한 발견은 노화 억제 전략이나 암세포의 무한 증식을 막는 항암 연구 등 인류의 건강과 직결된 다양한 분야로 확장될 가능성을 보여주며 생명 연장의 꿈에 다가서게 합니다. 기초 과학의 진정한 가치는 정답을 맞히는 것보다 올바른 질문을 던지는 데 있습니다. 예쁜꼬마선충의 히치하이킹 행동처럼 사소해 보이는 현상도 깊이 파고들면 그 이면에 숨겨진 복잡한 신경 기전을 발견할 수 있습니다. 연구 과정에서 무엇을 모르는지조차 모르는 혼란을 겪기도 하지만, 핵심적인 신경 세포 한 세트를 찾아내는 순간 새로운 질문들이 쏟아져 나오기 시작합니다. 인공지능을 통해 확보한 방대한 데이터는 결국 과학자가 더 깊고 본질적인 질문을 던질 수 있도록 돕는 밑거름이 되며 연구의 연속성을 보장합니다. 과학 연구는 단순히 지식을 쌓는 과정을 넘어, 다음 세대에게 사랑과 기회를 전하는 교육의 장이기도 합니다. 과거 독지가의 도움으로 연구에 전념할 수 있었던 경험은 학생들을 위한 장학금 마련과 연구 환경 개선이라는 실천으로 이어졌습니다. 과학은 혼자만의 성과가 아니라 구성원들이 서로 조금씩 양보하고 협력할 때 비로소 큰 시너지가 낼 수 있습니다. 따뜻한 경쟁과 협력이 공존하는 연구실 문화는 젊은 과학자들이 사회에 기여하는 훌륭한 연구자로 성장하는 든든한 토대가 되며, 이는 곧 과학계의 선순환을 만들어냅니다.

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[강연] 사람이 곧 벌레라니: miRNA의 발견과 진화적 의미_by 이준호 | 고등과학원&카오스재단 '2024 노벨상 해설강연' | 3강

예쁜꼬마선충은 몸길이가 1mm에 불과한 아주 작은 생물이지만, 현대 생물학에서 인간을 이해하는 데 결정적인 역할을 해왔습니다. 2024년 노벨 생리의학상은 이 작은 벌레에서 유전자 조절의 새로운 원리인 마이크로 RNA를 발견한 두 과학자에게 돌아갔습니다. 예쁜꼬마선충은 그 이름처럼 우아한 생명체는 아닐지 모르나, 단순한 구조 속에 복잡한 생명의 신비를 품고 있어 지금까지 네 차례나 노벨상의 주인공이 되었습니다. 이 작은 유기체를 통해 우리는 인간의 발생과 질병을 이해하는 새로운 창을 얻게 되었습니다. 예쁜꼬마선충이 과학의 무대에 오른 것은 1960년대 시드니 브레너의 혜안 덕분이었습니다. 그는 발생과 신경계의 비밀을 밝히기 위해 대장균보다 복잡하면서도 연구하기 쉬운 모델로 이 벌레를 선택했습니다. 이후 과학자들은 수정란에서 성체에 이르기까지 모든 세포의 분열 과정을 기록한 '세포 계보'를 완성했습니다. 이는 생명체의 모든 세포가 언제, 어디서, 무엇이 되는지를 완벽하게 파악한 인류 최초의 성과였습니다. 이러한 기초 연구는 유전자가 생명 현상을 어떻게 조절하는지 탐구하는 든든한 토대가 되었습니다. 세포 계보를 연구하던 중 과학자들은 놀라운 사실을 발견했습니다. 매번 똑같은 위치와 시간에 특정 세포들이 죽어 나가는 현상이 관찰된 것입니다. 이는 세포가 환경이 나빠서 죽는 것이 아니라, 유전적으로 결정된 '프로그램된 세포 사멸' 과정을 거친다는 것을 의미했습니다. 131개의 세포가 정해진 운명에 따라 사라지는 이 현상은 인간의 암이나 퇴행성 질환을 이해하는 핵심 열쇠가 되었습니다. 죽음조차 생명의 정교한 계획 일부라는 사실은 현대 의학에 엄청난 영감을 주었으며, 이는 예쁜꼬마선충 연구가 거둔 첫 번째 노벨상의 결실이었습니다. 예쁜꼬마선충 연구는 RNA 간섭 현상과 녹색 형광 단백질(GFP)의 활용이라는 혁신적인 도구들을 과학계에 선물했습니다. RNA 간섭은 특정 유전자의 기능을 억제하여 그 역할을 규명하는 강력한 방법론이 되었고, GFP는 살아있는 세포 안에서 단백질의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 해주었습니다. 이러한 기술적 진보는 생명과학의 패러다임을 바꾸어 놓았습니다. 각기 다른 분야를 연구하던 과학자들이 우연히 발견한 이 부산물들은, 결국 인류가 질병의 원인을 찾고 치료제를 개발하는 데 없어서는 안 될 필수적인 자산이 되었습니다. 올해 노벨상의 핵심인 마이크로 RNA의 발견은 발생의 '시간'을 연구하던 엉뚱한 호기심에서 시작되었습니다. 빅터 앰브로스와 게리 러브컨은 세포의 계보가 반복되거나 건너뛰는 돌연변이 유전자인 lin-4와 lin-14를 연구했습니다. 두 과학자는 서로의 연구 데이터를 공유하며 놀라운 사실을 알아냈습니다. 아주 작은 크기의 lin-4 RNA가 큰 lin-14 mRNA에 결합하여 단백질 합성을 방해한다는 것이었습니다. 이는 단백질 정보가 없는 작은 RNA 조각이 유전자 발현을 정교하게 조절할 수 있다는 사실을 세상에 처음으로 알린 역사적 순간이었습니다. 마이크로 RNA의 발견은 생명과학의 근본 원리인 '생명 중심 원리(Central Dogma)'에 새로운 화살표를 추가했습니다. DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 흐르는 정보의 흐름 속에, 마이크로 RNA라는 조절자가 개입하여 특정 단백질의 생성을 억제한다는 메커니즘이 밝혀진 것입니다. 처음에는 예쁜꼬마선충에게만 국한된 특이한 현상으로 치부되기도 했으나, 이후 let-7과 같은 마이크로 RNA가 인간을 포함한 다양한 생물종에 보존되어 있다는 사실이 확인되었습니다. 이로써 마이크로 RNA는 생명체의 발생과 분화를 조절하는 보편적인 원리로 자리 잡게 되었습니다. 과학의 역사는 때로 무지함이 축복이 될 수 있음을 보여줍니다. 게리 러브컨의 말처럼, 모르는 것을 하나씩 알아가는 과정에서의 즐거움과 끈질긴 호기심이 위대한 발견을 낳았습니다. 예쁜꼬마선충이라는 작은 벌레를 30년 넘게 들여다본 과학자들의 집념은 결국 인간을 이해하는 거대한 지표가 되었습니다. 바늘 하나로 코끼리를 쓰러뜨리듯, 작은 발견을 끝까지 추적하여 생명의 신비를 밝혀낸 이들의 여정은 우리에게 깊은 울림을 줍니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 세상을 향한 끝없는 질문과 그 답을 찾아가는 즐거운 모험입니다.

이준호

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생명과학

[댓글 이벤트] 유전자🧬 발현을 조절하는 컨트롤의 마법사🧙‍♀️ 마이크로RNA 2024 노벨 생리의학상 | 요즘과학

2024년 노벨 생리의학상은 마이크로RNA의 발견과 그 역할을 규명한 빅터 앰브로스와 게리 러브컨 교수에게 돌아갔습니다. 생명체는 DNA의 유전 정보를 RNA로 전달하고, 이를 바탕으로 단백질을 만들어 생명 활동을 유지합니다. 이를 '생명 중심 원리'라고 부르는데, DNA가 전체 설계도라면 RNA는 필요한 부분만을 복사한 설계도 사본과 같습니다. 이번 수상은 이 과정에서 단백질 합성을 정교하게 조절하는 새로운 존재를 밝혀낸 공로를 인정한 것이며, 현대 생물학의 지평을 넓힌 중요한 성과로 평가받습니다. 마이크로RNA는 메신저 RNA에 결합하여 불필요한 단백질이 과도하게 생성되지 않도록 막는 '감독관' 혹은 '브레이크' 역할을 수행합니다. 세포라는 공장에서 설계도 사본인 RNA가 계속 방치되면 단백질이 무한정 생산되어 효율성이 떨어지게 됩니다. 마이크로RNA는 특정 유전자의 발현을 미세하게 조절함으로써 우리 몸의 세포들이 어떤 종류의 단백질을 얼마나 만들어야 하는지 결정합니다. 이는 생명 현상의 효율성을 높이고 질서를 유지하는 핵심적인 기제이며, 세포의 정교한 제어 시스템을 상징합니다. 연구자들은 예쁜꼬마선충이라는 모델 생물을 통해 특정 유전자에 변이가 생기면 발달에 문제가 생긴다는 사실을 발견했습니다. 1993년 앰브로스 교수는 lin-4라는 작은 RNA 조각이 lin-14 메신저 RNA의 번역 과정을 억제한다는 메커니즘을 최초로 규명했습니다. 초기에는 이 현상이 특정 생물에만 국한된 것으로 여겨졌으나, 이후 모든 다세포 생물에 보존되어 있다는 사실이 밝혀지며 마이크로RNA는 생물학계의 거대한 패러다임 변화를 이끌어냈습니다. 이는 유전자가 단순히 DNA의 지시만을 받는 것이 아님을 시사합니다. 마이크로RNA 분야에서 한국의 김빛내리 교수 또한 세계적인 석학으로 꼽힙니다. 노벨상 수상자들이 마이크로RNA의 존재와 기능을 밝혔다면, 김 교수는 마이크로RNA가 세포 내에서 어떻게 생성되는지에 대한 비밀을 풀었습니다. 그녀는 긴 RNA를 잘라 마이크로RNA를 만드는 효소인 '드로셔'와 '다이서'의 단백질 구조를 세계 최초로 규명하며 연구의 마지막 퍼즐을 맞췄다는 평가를 받습니다. 이러한 기초 연구는 유전자 조절 메커니즘을 완벽히 이해하고 이를 인위적으로 제어하는 데 결정적인 기여를 했습니다. 마이크로RNA 연구는 향후 다양한 질병 치료의 새로운 길을 열어줄 것으로 기대됩니다. 마이크로RNA가 제대로 작동하지 않으면 암, 당뇨병, 자가면역 질환 등 비정상적인 세포 활동으로 인한 질병이 발생할 수 있기 때문입니다. 현재 미국 등지에서는 이를 이용한 암 치료 임상 시험이 진행 중이며, 진단 도구나 노화 방지 분야에서도 폭넓게 활용될 가능성이 큽니다. 비록 상용화까지는 시간이 필요하겠지만, RNA 기술은 인류의 건강을 지키는 강력한 무기가 될 것이며 앞으로의 발전이 더욱 주목되는 분야입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

생명과학

[강연] 2024 '노벨상 해설강연' by 조정효, 백민경, 이준호 l 고등과학원&카오스재단

2024년 노벨 물리학상은 인공지능의 기초를 닦은 존 홉필드와 제프리 힌턴에게 돌아갔습니다. 이들은 물리학의 통계적 원리를 활용해 인공신경망이 정보를 저장하고 학습하는 초기 모델을 고안했습니다. 홉필드 모델은 물리학의 에너지 지평 개념을 도입하여 불완전한 정보에서 원래의 패턴을 복원하는 기억의 원리를 설명했습니다. 이는 현대 딥러닝의 이론적 토대가 되었으며, 물리학적 통찰이 어떻게 첨단 기술의 근간이 될 수 있는지를 보여주는 상징적인 사례로 평가받습니다. 인공신경망은 이제 단순한 계산 도구를 넘어 인간의 지능을 모사하는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 제프리 힌턴은 홉필드의 아이디어를 확장하여 볼츠만 머신과 오차 역전파 알고리즘을 발전시켰습니다. 그는 데이터의 확률 분포를 학습하는 생성 모델의 원형을 제시하며, 인공지능이 단순한 분류를 넘어 새로운 정보를 생성할 수 있는 가능성을 열었습니다. 특히 층을 깊게 쌓은 심층신경망의 학습 가능성을 증명함으로써 오늘날의 생성형 AI 시대를 가능케 했습니다. 이러한 성과는 물리학적 통찰이 복잡한 데이터 처리 시스템의 효율성을 극대화하는 데 결정적인 역할을 했음을 시사합니다. 이는 인공지능 발전의 역사에서 물리학이 수행한 중추적인 역할을 다시금 확인시켜 줍니다. 노벨 화학상은 단백질 구조 예측과 설계 분야에서 혁신을 일으킨 데이비드 베이커, 데미스 허사비스, 존 점퍼가 수상했습니다. 단백질은 생명 현상을 수행하는 핵심 일꾼으로, 그 기능을 이해하려면 복잡하게 접힌 3차원 구조를 파악하는 것이 필수적입니다. 구글 딥마인드의 알파폴드는 인공지능을 활용해 수십 년간 난제로 남아있던 구조 예측 문제를 해결했습니다. 이는 실험에 수년이 걸리던 작업을 단 몇 분 만에 처리할 수 있게 함으로써 생명과학 연구의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이제 과학자들은 방대한 단백질 데이터를 바탕으로 생명의 신비를 더욱 빠르게 파헤치고 있습니다. 데이비드 베이커 교수는 인공지능을 활용해 자연계에 존재하지 않는 새로운 단백질을 설계하는 데 성공했습니다. 그는 단백질이 형성되는 물리적 원리를 바탕으로 특정 기능을 수행할 수 있는 아미노산 서열을 계산해내는 '로제타'와 'RF디퓨전' 모델을 개발했습니다. 이를 통해 질병 치료를 위한 정밀 약물 전달체나 환경 오염을 해결할 플라스틱 분해 효소 등을 맞춤형으로 제작할 수 있는 길이 열렸습니다. 단백질 설계 기술의 발전은 인류가 직면한 난치병과 환경 문제를 해결할 강력한 무기가 될 것입니다. 이는 기초 과학의 원리가 인공지능이라는 도구를 만나 실질적인 인류의 혜택으로 전환된 사례입니다. 노벨 생리의학상은 예쁜꼬마선충 연구를 통해 마이크로RNA를 발견한 빅터 앰브로스와 게리 러브컨에게 수여되었습니다. 이들은 아주 작은 벌레인 선충의 발생 과정을 추적하던 중, 단백질 정보를 담고 있지 않은 아주 작은 RNA 조각이 유전자 발현을 조절한다는 사실을 우연히 발견했습니다. 이는 기존의 생명 중심 원리에서 설명하지 못했던 새로운 유전자 조절 층위를 밝혀낸 것입니다. 아주 단순한 생명체에 대한 호기심이 생명 과학의 근본적인 원리를 뒤흔드는 거대한 발견으로 이어진 셈입니다. 이 발견은 생명체가 얼마나 정교한 시스템을 통해 스스로를 통제하는지 보여주는 중요한 이정표가 되었습니다. 마이크로RNA는 선충뿐만 아니라 인간을 포함한 고등 생물에게도 진화적으로 잘 보존되어 있으며, 세포의 성장과 분화에 결정적인 역할을 합니다. 특정 마이크로RNA의 이상은 암이나 유전병 등 다양한 질병의 원인이 되기도 합니다. 이 발견은 유전자가 단순히 단백질을 만드는 설계도에 그치지 않고, 그 발현 시기와 양을 정밀하게 조절하는 복잡한 시스템임을 증명했습니다. 현재는 이를 활용한 새로운 진단 기술과 치료제 개발 연구가 활발히 진행되며 인류의 건강 증진에 기여하고 있습니다. 작은 분자 하나가 생명 현상의 거대한 흐름을 조절한다는 사실은 현대 의학에 새로운 지평을 열어주었습니다. 2024년 노벨상은 과학의 새로운 도구로서 인공지능의 위상을 공고히 하는 동시에, 기초 과학의 끈질긴 탐구 정신이 얼마나 중요한지를 일깨워 줍니다. 인공지능은 방대한 데이터를 분석하고 예측하는 강력한 도구이지만, 그 도구를 어디에 사용할지 결정하고 새로운 질문을 던지는 것은 여전히 인간의 몫입니다. 물리학, 화학, 생물학의 경계가 허물어지는 융합의 시대에서, 기초 과학에 대한 깊은 이해와 창의적인 상상력은 인류의 지식을 확장하고 미래의 난제를 해결하는 가장 확실한 열쇠가 될 것입니다. 과학자들의 끊임없는 도전은 인공지능이라는 날개를 달고 더욱 먼 미래를 향해 나아가고 있습니다.

백민경, 이준호, 조정효

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물리학
화학
생명과학

뇌, 그 너머로!👏👏 뉴럴 링크 강연, PART 3ㅣ선을 넘는 과학자들

영화 '트랜센던스'는 인간의 지능을 초월하여 뇌 정보를 컴퓨터에 업로드하는 미래를 그립니다. 이것이 허구처럼 보일 수 있지만, 과학자들은 이미 '예쁜꼬마선충'이라는 작은 생명체를 통해 그 가능성을 엿보고 있습니다. 이 선충은 몸길이가 1mm에 불과하지만, 모든 개체가 동일하게 302개의 신경세포를 가지고 있다는 독특한 특징이 있습니다. 연구자들은 이 세포들이 맺고 있는 약 8,000개의 연결망을 파악하여 '커넥톰'이라 불리는 뇌 지도를 완성했습니다. 이는 생명체의 신경 구조를 데이터화하는 중요한 첫걸음이 되었습니다. 연구자들은 예쁜꼬마선충의 커넥톰 정보를 활용해 놀라운 실험을 진행했습니다. 선충의 신경망 데이터를 레고 로봇에 이식한 뒤, 별도의 프로그래밍 없이 로봇이 어떻게 움직이는지 관찰한 것입니다. 결과는 놀라웠습니다. 로봇은 마치 살아있는 선충처럼 장애물을 피하고 먹이를 찾는 본능적인 움직임을 보였습니다. 이는 특정 생명체의 연결성 정보를 완벽히 알 수 있다면, 그 개체를 컴퓨터나 기계 안에서 구현하는 것이 이론적으로 가능하다는 사실을 시사합니다. 즉, 뇌의 디지털 복제가 더 이상 상상 속의 일만은 아님을 보여줍니다. 최근에는 줄기세포를 배양해 만든 인공 신경망인 '오가노이드'를 컴퓨터와 연결하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 연구진은 오가노이드에게 '퐁(Pong)'이라는 탁구 게임을 학습시켰는데, 공을 놓칠 때마다 '예측 불가능한 전기 자극'이라는 벌칙을 주어 스스로 학습하게 유도했습니다. 그 결과 오가노이드는 놀라운 속도로 게임 방식을 익혀 능숙하게 공을 맞히기 시작했습니다. 이러한 '오가노이드 지능'은 인공지능과는 또 다른 생물학적 지능의 가능성을 보여며, 향후 자율주행 자동차 제어 등 다양한 실무 분야에 실제 신경망이 활용될 수 있는 길을 열었습니다. 하지만 뇌공학의 발전은 심각한 윤리적 고민을 동반합니다. 뇌 자극 기술은 외상 후 스트레스 장애 치료에 기여할 수 있지만, 공포를 관장하는 편도체를 마비시켜 '슈퍼 솔저'를 만드는 데 악용될 위험도 존재합니다. 또한 인위적으로 인지 능력을 높여주는 브레인 칩이 보편화된다면, 노력의 가치가 훼손되고 기술을 소유한 자와 그렇지 못한 자 사이의 사회적 불평등이 극심해질 것입니다. 경쟁에서 살아남기 위해 원치 않게 뇌를 수술해야 하는 상황은 우리가 경계해야 할 암울한 미래의 단면이기도 합니다. 과거 신발 치수를 재기 위해 강력한 엑스레이를 쏘았던 사례처럼, 새로운 기술은 예상치 못한 부작용을 동반하곤 합니다. 따라서 기술을 개발하는 연구자뿐만 아니라 대중의 지속적인 관심과 감시가 필수적입니다. 라이트 형제가 비행에 성공하기 직전까지도 많은 이들이 비행은 불가능하다고 믿었듯이, 뇌공학 기술 역시 우리가 생각하는 것보다 훨씬 빠르게 현실로 다가올 것입니다. 다가올 미래를 올바른 방향으로 이끌기 위해서는 지금부터 기술의 가치와 윤리에 대해 깊이 고민하고 대비하는 자세가 필요합니다.

국립과천과학관선을 넘는 과학자들🔬

생명과학
뇌인지과학
융합

[강연] 이보디보: ‘유전과 발생’ 연구 열차의 종착역은 ‘진화’ _ by 이준호 ㅣ 2022 가을 카오스강연 '진화' 8강 | 8강

생명과학은 크게 두 가지 질문을 던집니다. 생명 현상이 '어떻게' 일어나는지, 그리고 '왜' 일어나는지에 대한 것입니다. 발생학이나 유전학이 '어떻게'라는 기전에 집중한다면, 진화학은 그 현상이 나타난 근본적인 이유인 '왜'를 탐구합니다. 이 두 분야가 통합되어 탄생한 학문이 바로 '이보디보(Evo-Devo)', 즉 진화 발생 생물학입니다. 이는 분자생물학의 발전으로 유전자가 발생에 기여하는 역할을 종간 비교를 통해 밝혀내며 생명의 신비를 풀어가는 현대 생물학의 핵심 분야입니다. 찰스 다윈은 자연선택을 통해 종의 기원을 설명했지만, 개체 간의 변이가 정확히 어디서 오는지에 대해서는 답을 내놓지 못했습니다. 오늘날 우리는 그 답이 DNA라는 유전 물질에 있음을 알고 있습니다. 유전은 부모의 형질을 자손에게 정확하게 물려주는 과정이지만, 그 복제 과정에서 발생하는 미세한 오류가 곧 변이가 됩니다. 99.9%의 정확성과 아주 작은 부정확성이 결합된 이 현상은 생명 다양성을 만드는 가장 기본적인 재료가 되어 진화의 긴 여정을 이끌어가는 원동력이 됩니다. 진화의 과정에서 때로는 기괴한 모습의 '괴물'이 등장하기도 합니다. 초파리의 안테나 자리에 다리가 돋아나는 것과 같은 돌연변이는 생명 현상을 이해하는 중요한 단서가 됩니다. 이러한 변화를 일으키는 '호메오틱 유전자'는 놀랍게도 초파리부터 인간에 이르기까지 진화적으로 매우 잘 보존되어 있습니다. 이를 '툴킷(Toolkit) 유전자'라고 부르는데, 마치 도구 상자 속의 망치나 스패너처럼 동일한 유전자 도구들을 어떻게 조합하느냐에 따라 서로 다른 종의 다양한 신체 구조가 만들어지게 됩니다. 자연계에서 일어나는 실제 진화 사례 중 가시고기의 변화는 매우 흥미롭습니다. 바다에서 호수로 서식지를 옮긴 가시고기들은 포식자인 잠자리 유충으로부터 살아남기 위해 배 쪽의 가시를 없애는 방향으로 진화했습니다. 놀라운 점은 유전자 자체의 서열이 바뀐 것이 아니라, 특정 부위에서 유전자를 켜고 끄는 '스위치' 역할을 하는 조절 부위가 변했다는 사실입니다. 이는 완전히 새로운 유전자가 나타나지 않더라도 기존 유전자의 발현 방식만 조절함으로써 환경에 적응하는 새로운 형질이 나타날 수 있음을 보여줍니다. 예쁜꼬마선충의 연구를 통해서도 이보디보의 원리를 확인할 수 있습니다. 썩은 과일에서 새로운 서식지로 이동하기 위해 다른 곤충에 몸을 싣는 '닉테이션(히치하이킹)' 행동은 특정 뉴런의 작용으로 일어납니다. 연구 결과, 이 행동은 완전히 새로운 유전자가 만든 것이 아니라 기존에 존재하던 유전자의 아미노산 서열이 아주 미세하게 변형된 '동형체(isoform)'에 의해 결정된다는 것이 밝혀졌습니다. 아주 작은 유전적 변화만으로도 개체의 행동 양식을 완전히 바꾸고 새로운 생존 전략을 만들어낼 수 있다는 점은 진화의 놀라운 효율성을 증명합니다. 최근 진행된 한국 선충 유전체(게놈) 프로젝트는 종의 다양성이 유전체 전체 차원에서 어떻게 나타나는지 보여줍니다. 특히 염색체 끝부분을 보호하는 '텔로미어' 서열을 분석한 결과, 교과서에 실린 표준 서열과는 다른 다양한 변이들이 여러 종에서 발견되었습니다. 이는 텔로미어의 특정 염기서열 자체가 절대적인 것이 아니라, 염색체를 보호한다는 본연의 기능만 수행할 수 있다면 진화 과정에서 다양한 서열이 채택될 수 있음을 의미합니다. 즉, 진화는 정해진 정답을 향해가는 과정이 아니라 상황에 맞춰 최선을 찾는 기회주의적 속성을 지닙니다. 진화는 단순히 과거의 기록이 아니라 현재 우리 주변에서 끊임없이 일어나고 있는 역동적인 현상입니다. 유전과 발생 연구의 종착역은 결국 진화라는 거대한 흐름으로 연결될 수밖에 없습니다. 아주 작은 유전적 변화들이 쌓여 혁명적인 결과를 만들어내는 과정은 마치 비틀즈의 노래 가사처럼 점진적이면서도 파괴적인 변화를 내포하고 있습니다. 생명의 다양성을 이해하려는 인간의 끈기 있는 탐구는 우리가 어디에서 왔으며, 생명이 가진 무한한 가능성이 어디까지 뻗어 나갈 수 있는지를 끊임없이 일깨워 줍니다.

이준호

카오스재단카오스강연

생명과학

[인터뷰] 이준호 _ 진화와 발생의 만남, 이보디보! | 2022 카오스강연 '진화'

서울대학교 생명과학부 이준호 교수는 예쁜꼬마선충을 통해 생명의 신비를 탐구합니다. 1mm 남짓한 이 작은 생명체는 '엘레강스'라는 종명처럼 투명하고 아름다운 구조를 지니고 있습니다. 약 천 개의 세포로 이루어진 단순함 덕분에 수정란부터 성체까지의 모든 세포 계보와 유전 정보가 완전히 밝혀져 있습니다. 이러한 특징은 인간을 직접 연구하기 어려운 한계를 극복하게 해주며, 노화나 신경계와 같은 복잡한 생명 현상을 빠르고 정확하게 이해할 수 있는 훌륭한 모델이 됩니다. 노화 연구는 정의하기 까다로운 분야이지만, 예쁜꼬마선충은 약 3주의 짧은 수명 덕분에 효율적인 연구가 가능합니다. 유전자 조작을 통해 수명이 몇 배로 늘어난 돌연변이를 관찰하거나, 수만 가지의 신약 후보 물질을 투여해 수명 연장 효과를 확인하는 실험이 활발히 진행되고 있습니다. 이는 단순히 수치를 기록하는 것을 넘어, 생명체가 노화를 지연시키는 보편적인 메커니즘을 찾아가는 과정입니다. 세포 수준의 분열 정지와 개체 수준의 죽음을 연결하는 연구는 현대 생물학의 핵심 과제 중 하나입니다. 최근 생물학계에서 주목받는 '이보디보(Evo-Devo)'는 진화발생생물학의 줄임말로, 발생 과정의 진화를 연구하는 학문입니다. 정자와 난자가 만나 하나의 개체가 되는 '발생'과, 서로 다른 종 사이에서 발생하는 차이를 다루는 '진화'를 결합한 것입니다. 과거의 진화학이 주로 추론과 계산에 의존했다면, 이보디보는 분자생물학적 수단을 통해 유전자의 변화와 작용을 직접 들여다봅니다. 이는 생명의 다양성이 어떤 유전적 원리로 형성되었는지 분자 수준에서 설명할 수 있는 강력한 관점을 제공합니다. 이보디보의 학문적 토대는 유전체 분석 기술의 비약적인 발전과 궤를 같이합니다. 최근 10년 사이 유전체 서열 분석 비용이 낮아지면서, 이제는 마음만 먹으면 지구상의 모든 생물 유전체를 분석하려는 거대한 꿈을 꿀 수 있게 되었습니다. 이러한 기술적 진보는 특정 종의 연구를 넘어 생명 전체의 연결 고리를 파악하게 합니다. 유전체 데이터의 축적은 우리가 생명의 역사를 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓을 것이며, 이는 현대 생물학이 나아가는 가장 역동적인 방향 중 하나라고 할 수 있습니다. 기초과학의 위기 속에서도 변하지 않는 가치는 인간의 본원적인 호기심입니다. 자연과학은 '어떻게'를 넘어 '왜'라는 질문에 답을 찾아가는 과정이며, 이는 국가의 기초를 튼튼히 하는 선진국의 필수적인 덕목입니다. 유전학자로 시작해 진화의 문제에 도달하게 된 여정은 생명 현상의 보존과 변화를 이해하려는 끊임없는 탐구의 결과입니다. 예쁜꼬마선충이라는 작은 창을 통해 바라본 생명의 신비는, 결국 우리 자신을 포함한 모든 생명체가 공유하는 거대한 이야기의 일부임을 깨닫게 해줍니다.

이준호

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[페스티벌+어스] 종으로서의 인류: 유전 by 이현숙, 이준호 ㅣ 2022 대한민국 과학축제(페스티벌 어스)

1953년 왓슨과 크릭이 DNA의 이중나선 구조를 밝혀낸 사건은 현대 생명과학의 흐름을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 이 발견은 단순히 분자의 형태를 알아낸 것을 넘어, 생명체가 정보를 어떻게 저장하고 다음 세대로 전달하는지에 대한 근본적인 원리를 제시했습니다. 당시 로잘린드 프랭클린의 정교한 엑스선 회절 데이터는 이 위대한 발견의 결정적인 토대가 되었으며, 이는 인류가 생명의 설계도를 직접 읽기 시작한 역사적 전환점이 되었습니다. 생명의 본질을 이해하려는 열망은 이 짧은 논문 한 편을 통해 구체적인 과학적 사실로 증명되었습니다. DNA는 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신이라는 네 가지 염기의 조합으로 이루어진 생명의 암호입니다. 이 정보는 전사 과정을 거쳐 RNA로 전달되고, 최종적으로 단백질로 번역되어 우리 몸의 다양한 생명 현상을 수행합니다. 이를 '중심 원리'라고 부르는데, 이는 모든 생명체가 공유하는 보편적인 언어와 같습니다. 결국 DNA는 단순한 물질이 아니라 생명체의 탄생부터 성장, 그리고 소멸에 이르는 모든 과정을 지휘하는 가장 정교한 통제 센터라고 할 수 있습니다. 이러한 암호 체계의 발견은 생명 현상을 분자 수준에서 해석할 수 있게 했습니다. 생명의 근원을 찾는 여정에서 수소 결합은 빼놓을 수 없는 핵심 요소입니다. DNA의 두 가닥을 연결하는 이 약한 결합은 필요할 때 쉽게 풀리고 다시 결합할 수 있는 유연성을 제공합니다. 이러한 특성 덕분에 DNA는 복제와 전사 과정을 효율적으로 수행하며 생명 정보를 유지합니다. 지구가 물로 덮여 있고 우리 몸의 대부분이 물로 이루어진 이유도 바로 이 수소 결합의 물리화학적 성질과 깊은 관련이 있습니다. 이는 생명 현상을 유지하는 가장 신비로운 비밀 중 하나로, 물이 있는 곳에 생명이 존재할 수 있다는 가설을 뒷받침하는 강력한 근거가 됩니다. 진화의 진정한 원동력은 완벽한 복제가 아니라 역설적이게도 그 과정에서 발생하는 미세한 변이에 있습니다. DNA 복제 과정에서 발생하는 오류는 교정 기작을 통해 대부분 수정되지만, 아주 드물게 남겨진 변이들이 개체 간의 다양성을 만들어냅니다. 이러한 다양성은 환경 변화에 적응하고 새로운 종으로 진화할 수 있는 토대가 됩니다. 즉, 유전은 정보를 정확하게 전달하는 안정성과 새로운 가능성을 열어두는 변이성이라는 동전의 양면과 같은 속성을 지니고 있습니다. 이러한 변이의 축적은 수억 년의 시간 동안 지구상의 다채로운 생명체들을 탄생시킨 근본적인 힘입니다. 염색체의 끝단에 위치한 텔로미어는 생명의 시계라고 불리며 세포의 노화와 수명을 결정하는 중요한 역할을 합니다. 세포가 분열할 때마다 조금씩 짧아지는 텔로미어는 유전 정보를 보호하는 캡과 같은 기능을 수행합니다. 만약 텔로미어가 비정상적으로 유지되면 암세포가 되기도 하고, 너무 빨리 짧아지면 조기 노화가 진행되기도 합니다. 텔로머레이스라는 효소는 이 끝단을 복구하여 세포의 생존력을 높이는데, 이는 현대 의학이 노화와 질병을 이해하는 데 있어 핵심적인 열쇠가 됩니다. 텔로미어의 구조와 기능을 밝혀낸 연구는 생명 연장의 꿈을 과학적 영역으로 끌어들였습니다. 최근 연구는 DNA가 전형적인 이중나선 구조 외에도 네 가닥이나 세 가닥의 복잡한 구조를 형성한다는 사실을 밝혀내고 있습니다. 특히 구아닌이 풍부한 지역에서 형성되는 네 가닥 DNA 구조는 암 억제 인자와 상호작용하며 세포의 항상성을 유지하는 데 기여합니다. 이러한 비전형적인 구조들은 유전자 발현 조절이나 질병 발생 메커니즘에서 중요한 변수로 작용합니다. 이는 우리가 알고 있던 생명의 설계도가 생각보다 훨씬 입체적이고 역동적인 체계임을 시사하며 새로운 연구 지평을 열어주고 있습니다. 구조의 다양성은 곧 생명 현상의 복잡성을 설명하는 중요한 단서가 됩니다. 인공지능 기술의 발전은 유전체 데이터를 해석하고 단백질 구조를 예측하는 방식에 혁신을 가져오고 있습니다. 방대한 유전 정보를 학습한 AI는 질병의 원인을 정밀하게 진단하고 환자 맞춤형 신약을 개발하는 데 결정적인 도움을 줍니다. 미래에는 개인의 DNA 특징을 기반으로 질병을 사전에 예방하고 관리하는 정밀 의료 시대가 보편화될 것입니다. 1953년의 작은 논문에서 시작된 혁명은 이제 디지털 기술과 결합하여 인류의 건강과 생명의 미래를 새롭게 설계해 나가고 있습니다. 과학적 호기심과 기술의 융합은 인류가 직면한 수많은 생물학적 난제들을 해결하는 열쇠가 될 것입니다.

이준호, 이현숙

카오스재단2022 대한민국 과학축제 ㅣ 페스티벌 어스

생명과학

[명강리뷰] 뇌 커넥톰, 마음을 볼 수 있을까? by이준호 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 3강

뇌는 수많은 신경세포가 거대한 네트워크를 형성하고 있는 장기입니다. 단순히 세포들이 쌓여 있는 것이 아니라 서로 긴밀하게 소통하며 정보를 주고받는다는 점이 특징입니다. 이러한 신경세포 연결의 총합을 '커넥톰'이라고 부르며, 이는 유전자의 총합인 게놈처럼 뇌가 수행하는 모든 기능의 설계도와 같습니다. 이 정교한 연결망을 분석하는 것은 생명체의 마음과 행동이 어떻게 형성되는지 밝혀내는 핵심적인 과정이며, 뇌과학 연구의 궁극적인 지향점이기도 합니다. 현대 과학은 MRI 기술을 활용해 뇌의 활동을 시각화하고, 사람이 무엇을 보고 생각하는지 유추하는 단계에 이르렀습니다. 특정 사물을 볼 때 활성화되는 뇌의 영역을 기록하여 일종의 '뇌 신호 사전'을 만드는 방식입니다. 비록 아직은 재구성된 영상이 다소 흐릿하고 완벽하지 않지만, 기술의 발전 속도는 놀랍습니다. 머지않은 미래에는 뇌의 신호만으로도 타인의 마음을 읽거나 시각적 경험을 공유하는 것이 가능해질 것이라는 기대를 모으고 있습니다. 인간 뇌의 1,000억 개에 달하는 신경세포를 모두 분석하는 것은 매우 어려운 과제입니다. 그래서 과학자들은 훨씬 단순한 구조를 가진 '예쁜꼬마선충'에 주목합니다. 이 생물은 몸길이가 1mm에 불과하며, 전체 세포 수가 1,000개도 되지 않습니다. 그중 신경세포는 단 302개뿐이지만, 먹이를 찾고 짝짓기를 하는 등 생존에 필요한 고도의 행동을 모두 수행합니다. 단순한 시스템을 통해 복잡한 뇌의 기본 원리를 파악하려는 전략적인 접근인 셈입니다. 1960년대부터 시작된 예쁜꼬마선충 연구는 20여 년의 노력 끝에 302개 신경세포의 연결망을 완전히 규명해냈습니다. 1mm의 선충을 아주 얇게 잘라 전자현미경으로 촬영하고, 수만 장의 사진을 이어 붙여 신경세포 하나하나의 위치와 연결 상태를 파악한 것입니다. 이를 통해 약 8,000개의 시냅스로 이루어진 세계 최초의 커넥톰 지도가 완성되었습니다. 비록 아주 작은 벌레의 뇌일지라도, 그 속에 담긴 정교한 연결 구조는 생명체의 마음이 어떻게 형성되는지 보여주는 중요한 지표가 됩니다. 하지만 현재의 커넥톰 지도는 물리적으로 연결된 '유선' 통신망에 집중되어 있다는 한계가 있습니다. 실제 뇌 안에서는 신경전달물질이 멀리 퍼져 나가며 정보를 전달하는 '무선' 통신도 활발하게 일어납니다. 보이지 않는 이 무선 연결망까지 모두 이해해야만 진정한 의미의 뇌 지도를 완성했다고 할 수 있습니다. 단순한 벌레의 마음에서 시작된 탐구는 이제 더 넓은 영역으로 확장되고 있으며, 이러한 도전은 인간 존재의 근원인 뇌의 신비를 푸는 열쇠가 될 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 뇌 커넥톰, 마음을 볼 수 있을까? (3) _ by이준호 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 3강 | 3강 ③

마음의 실체에 대한 논의는 인류 역사상 가장 오래된 질문 중 하나입니다. 최근 과학 기술의 비약적인 발전으로 인해 마음을 뇌의 물리적 작용으로 환원하려는 시도가 활발해지고 있습니다. 특히 신경과학자들은 뇌의 신경 회로를 분석함으로써 불안, 스트레스, 공포와 같은 기본적인 감정은 물론, 갈증이나 배고픔 같은 본능적 동기가 어디에서 비롯되는지 밝혀내고 있습니다. 이는 마음이 곧 뇌라는 현대 신경과학의 핵심적인 입장과 맞닿아 있으며, 인간의 정신 활동을 생물학적 기반 위에서 이해하려는 노력의 일환입니다. 환원주의적 관점에서는 예쁜꼬마선충과 같은 단순한 생명체의 신경계를 연구함으로써 복잡한 인간의 마음을 이해할 수 있는 단초를 찾고자 합니다. 신경세포 하나하나의 활동이 모여 전체적인 시스템의 특성을 만들어내는 '창발적 특성'은 뇌과학의 중요한 연구 대상입니다. 물 분자가 모여 물의 성질을 띠듯, 신경세포들이 연결되어 의식과 마음을 형성한다는 논리입니다. 이러한 접근은 뇌의 특정 부위를 자극하여 우울증이나 중독 증상을 완화하는 등 실질적인 치료 가능성을 제시하며 과학적 설득력을 얻고 있습니다. 하지만 심리학적 관점에서는 이러한 물리적 환원주의에 대해 신중한 입장을 보입니다. 동물의 신경 회로를 조작하여 나타나는 행동 변화가 곧 인간의 복잡한 마음과 동일하다고 단정 짓기에는 무리가 있다는 지적입니다. 예를 들어, 쥐의 공격성이나 성적 행동을 유도하는 실험 결과가 인간의 사회적 관계나 고차원적인 심리 현상을 온전히 설명해주지는 못합니다. 마음은 신체 및 뇌와 연결되어 있지만, 그 자체로 독자적인 작동 원리를 지닌 영역일 수 있으며, 뇌의 병변만으로 설명되지 않는 심리적 고통이 존재하기 때문입니다. '커넥톰(Connectome)'은 뇌 속 신경세포들의 복잡한 연결망을 뜻하며, 최근에는 '나는 나의 커넥톰이다'라는 주장이 제기될 만큼 중요하게 다뤄집니다. 이는 유선 및 무선 통신을 포함한 고도의 신경 활동이 곧 자아를 형성한다는 믿음에 기반합니다. 기술의 발전 속도가 예상보다 빨라지면서 뇌의 지도를 완벽히 그려낼 수 있다면 인간의 본질을 이해할 수 있을 것이라는 기대감이 커지고 있습니다. 그러나 이러한 하드웨어적 분석이 인간의 주관적 경험과 영혼의 영역까지 모두 포괄할 수 있을지에 대해서는 여전히 뜨거운 논쟁이 이어지고 있습니다. 30년 후인 2047년의 뇌과학은 지금과는 비교할 수 없을 정도로 진보할 것으로 예측됩니다. 낙관적인 전망에 따르면, 비파괴적인 방식으로 뇌의 신경 발화 활성을 정밀하게 읽어내고 특정 신경세포를 선택적으로 자극하여 뇌 기능을 향상시키는 기술이 보편화될 수 있습니다. 이는 치매나 알츠하이머와 같은 난치성 질환 정복에 기여할 뿐만 아니라, 인간의 인지 능력을 획기적으로 확장하는 계기가 될 것입니다. 과학자들은 이러한 기술적 진보가 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 만들 것이라고 확신하며 연구에 매진하고 있습니다. 반면, 기술의 진보가 반드시 인간 마음에 대한 깊은 이해로 이어지지는 않을 것이라는 회의적인 시각도 존재합니다. 지난 수십 년간 뇌과학 분야에서 수많은 발견이 있었음에도 불구하고, 실제 임상 현장에서 치매나 정신 질환을 완벽히 이해하고 치료하는 데에는 여전히 한계가 명확하기 때문입니다. 인간의 행동과 심리는 단순히 신경 자극의 결과물이라기보다 사회적 관계와 환경 속에서 형성되는 복잡한 산물입니다. 따라서 기술적 성취에만 매몰되기보다는 인간 본연의 가치와 마음의 고유한 특성을 놓치지 않는 균형 잡힌 시각이 필요합니다. 결국 뇌와 마음에 대한 탐구는 서로 다른 학문적 배경을 가진 전문가들이 소통하고 협력하는 '통섭'의 과정을 필요로 합니다. 생물학적 데이터와 심리학적 통찰이 만날 때 비로소 인간이라는 거대한 신비에 다가갈 수 있습니다. 과학을 발전시키는 원동력은 단순한 기술의 진보를 넘어, 인간이 얼마나 자유롭게 상상하고 그 상상을 공유하며 구체화할 수 있느냐에 달려 있습니다. 미래의 뇌과학은 뇌의 구조를 밝히는 것을 넘어, 인간이 누구인지에 대한 근본적인 답을 찾아가는 여정이 되어야 할 것입니다.

김성연, 이준호, 황상민

카오스재단카오스강연

생명과학
뇌인지과학

[강연] 뇌 커넥톰, 마음을 볼 수 있을까? (2) _ by이준호 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 3강 | 3강 ②

뇌는 수천억 개의 신경세포가 복잡하게 얽혀 있는 거대한 우주와 같습니다. 현대 과학은 MRI나 광유전학 같은 첨단 기술을 통해 뇌의 구조와 기능을 밝혀내려 노력하고 있지만, 그 복잡성을 온전히 이해하기에는 여전히 기술적 한계가 존재합니다. 이 거대한 문제를 해결하기 위한 가장 효과적인 전략 중 하나는 복잡한 시스템을 단순화하여 본질에 접근하는 것입니다. 과학자들은 뇌의 모든 것을 한꺼번에 설명하려 하기보다, 특정 기능을 수행하는 최소한의 단위를 분석함으로써 거대한 수수께끼의 실마리를 찾고자 합니다. 노벨상 수상자인 프랜시스 크릭과 크리스토프 코흐는 의식이라는 거대한 주제를 탐구하기 위해 시각 정보 처리라는 구체적인 영역에 집중했습니다. 이들은 의식이 신경세포와 분자들의 복잡한 총합이라는 가설을 세우고, 문제를 표면화하여 단순화된 모델을 구축했습니다. 이러한 '환원주의적' 접근 방식은 복잡한 현상을 이해 가능한 수준으로 쪼개어 분석함으로써, 훗날 더 큰 문제를 해결할 수 있는 토대를 마련해 주었습니다. 비록 의식의 모든 비밀을 풀지는 못했지만, 이는 뇌 과학 연구의 중요한 이정표가 되었습니다. 분자생물학의 혁명을 이끌었던 시드니 브레너는 DNA 구조 규명 이후 생물학의 궁극적인 목표가 신경계의 신비를 푸는 것이라고 주장했습니다. 그는 인간의 뇌보다 훨씬 단순하면서도 생명 현상의 핵심을 간직한 모델 생물로 '예쁜꼬마선충'을 선택했습니다. 이 작은 생물은 전체 세포가 1,000개도 되지 않으며, 그중 신경세포는 단 302개에 불과합니다. 하지만 이 적은 수의 신경세포만으로도 이동, 먹이 활동, 종족 보존을 위한 복잡한 행동을 수행하며 인간의 뇌를 이해하기 위한 완벽한 기초 모델이 되어줍니다. 1970년대부터 시작된 '벌레의 마음(Mind of a Worm)' 프로젝트는 예쁜꼬마선충의 신경망 지도인 '커넥톰'을 완성하는 거대한 도전이었습니다. 연구자들은 1mm 남짓한 예쁜꼬마선충을 얇게 저며 전자현미경으로 13,000장 이상의 사진을 찍고, 이를 수작업으로 이어 붙여 302개 신경세포의 연결 상태를 분석했습니다. 그 결과 약 8,000개의 시냅스로 이루어진 정교한 신경망 구조가 드러났습니다. 이는 인류가 생명체의 신경계 전체 연결망을 시냅스 수준에서 파악한 최초의 사례로, 뇌의 작동 원리를 규명하는 핵심 지도가 되었습니다. 완성된 커넥톰 데이터는 컴퓨터 시뮬레이션과 수학적 모델링을 통해 살아있는 생명체의 행동을 예측하는 단계로 진화했습니다. 오픈 소스 프로젝트인 '오픈웜'이나 다양한 IT 기술과의 협업을 통해, 예쁜꼬마선충의 신경망 정보만으로 앞으로 가거나 뒤로 가고, 방향을 트는 등의 동작을 가상 공간에서 재현해낸 것입니다. 또한 특정 신경세포의 활성을 수학적으로 조절하여 산소 농도 변화에 따른 반응을 예측하는 등, 커넥톰은 단순한 지도를 넘어 뇌의 기능을 실시간으로 분석하고 실험할 수 있는 강력한 도구로 활용되고 있습니다. 최근 연구는 예쁜꼬마선충의 특정 발달 단계인 '다우어(dauer)' 시기에 나타나는 독특한 행동에 주목하고 있습니다. 척박한 환경에서 생존하기 위해 다른 동물에 매달려 이동하는 '닉테이션' 행동은 고도의 신경계 작용을 필요로 합니다. 연구 결과, 특정 신경세포 세트가 이 행동을 조절한다는 사실이 밝혀졌으며, 이는 발달 단계에 따라 커넥톰이 유연하게 변화할 수 있음을 시사합니다. 현재 과학자들은 이 시기의 신경망을 새롭게 재구성하는 '다우어와이어' 프로젝트를 통해 뇌의 가소성과 발달에 따른 변화를 심도 있게 추적하고 있습니다. 커넥톰 연구는 물리적인 신경 연결을 넘어, 신경전달물질이 공간으로 퍼져나가는 '무선 통신'의 영역으로 확장되고 있습니다. 유선으로 연결된 시냅스 외에도 보이지 않는 화학적 신호들이 뇌 전체의 상태를 조절하기 때문입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 시민들이 참여하는 시민과학 형태의 연구가 도입되고 있으며, 이는 복잡한 뇌의 신비를 푸는 데 대중의 힘을 모으는 계기가 되고 있습니다. 302개의 신경세포에서 시작된 이 여정은 결국 인간의 마음과 의식을 이해하는 거대한 문을 여는 열쇠가 될 것입니다.

이준호

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생명과학
뇌인지과학

[강연] 뇌 커넥톰, 마음을 볼 수 있을까? (1) _ by이준호 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 3강 | 3강 ①

뇌는 수많은 신경세포가 복잡하게 얽혀 있는 거대한 네트워크입니다. 이를 '커넥톰'이라 부르는데, 이는 유전체의 총합인 게놈처럼 신경세포 연결의 총합을 의미합니다. 뇌의 모든 기능은 이 정교한 연결망에서 비롯되며, 그 구조는 마치 하나의 예술 작품처럼 아름답고도 심오합니다. 인간의 뇌에는 약 1,000억 개의 신경세포(뉴런)가 존재하며, 이들이 만들어내는 무한한 연결은 우리의 사고와 감정을 결정짓는 핵심적인 토대가 됩니다. 과학자들은 이 복잡한 연결망을 해독함으로써 인간의 마음이 어떻게 작동하는지 밝혀내고자 노력하고 있습니다. 뇌과학 연구에서 '예쁜꼬마선충'은 매우 특별한 위치를 차지합니다. 이 생물은 뇌라고 부르기엔 너무나 단순한 신경계를 가지고 있지만, 지구상에서 신경세포의 연결망인 커넥톰이 완벽하게 밝혀진 유일한 동물이기 때문입니다. 비록 인간의 뇌처럼 복잡한 마음을 가지지는 않았을지라도, 단순함 속에서 생명의 근본적인 원리를 찾으려는 과학자들에게는 가장 완벽한 실험 모델이 되어줍니다. 20년 넘게 이 작은 생명체를 연구해온 과학자들은 이를 통해 뇌의 비밀에 한 걸음 더 다가서고 있으며, 이는 더 복잡한 고등 생물의 뇌를 이해하는 초석이 됩니다. 노벨 생리의학상 수상자인 프랜시스 크릭은 인간의 의식이라는 미지의 영역에 평생을 바쳤습니다. 그는 '놀라운 가설'이라는 저서를 통해 우리의 즐거움, 슬픔, 기억, 그리고 자유의지조차도 결국 수많은 신경세포와 그 속에 들어 있는 분자들의 복잡한 연합의 결과라고 주장했습니다. 이는 마음이라는 추상적인 개념을 물리적인 뇌의 활동으로 치환하여 이해하려는 시도였습니다. 비록 당시에는 증명되지 않은 가설에 불과했지만, 현대 뇌과학은 정교한 기술을 통해 이 가설을 입증하기 위해 끊임없이 도전하며 의식의 실체를 추적하고 있습니다. 현대 기술은 우리가 무엇을 보고 생각하는지를 뇌 영상을 통해 읽어내는 수준에 도달했습니다. 기능적 자기공명영상법(fMRI)은 뇌의 혈류 변화를 측정하여 특정 부위의 활성도를 파악합니다. 이를 통해 사람이 보고 있는 사물이나 풍경을 뇌 신호만으로 재구성하는 것이 가능해졌습니다. 심지어 잠자는 동안의 뇌 활동을 분석하여 꿈의 내용을 영상화하려는 시도까지 이어지고 있으며, 이는 마음을 읽는 시대가 머지않았음을 시사합니다. 이러한 기술적 진보는 인간의 내면세계를 시각적으로 확인하는 놀라운 경험을 선사합니다. 하지만 현재의 MRI 기술에는 명확한 한계가 존재합니다. 약 1mm 정도의 해상도로는 수만 개의 신경세포가 뭉쳐 있는 덩어리만을 볼 수 있을 뿐, 개별 신경세포(뉴런)가 어떤 역할을 수행하는지 정밀하게 파악하기 어렵기 때문입니다. 뇌의 진정한 비밀을 풀기 위해서는 더 높은 해상도의 기술이 필요하며, 이는 현대 과학이 당면한 가장 큰 과제 중 하나입니다. 기술의 진보가 뒷받침될 때 비로소 우리는 뇌의 가장 깊숙한 곳까지 들여다볼 수 있는 열쇠를 얻게 될 것이며, 이는 뇌의 기능을 세포 단위에서 이해하는 출발점이 될 것입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 혁신적인 기술 중 하나가 바로 '광유전학'입니다. 이는 신경세포에 빛에 반응하는 단백질을 도입하여, 특정 파장의 빛을 쬐어줌으로써 신경세포(뉴런)의 활성을 자유자재로 조절하는 방법입니다. 전기나 화학적 신호 대신 빛을 이용하기 때문에 원하는 시간에 원하는 세포만을 정밀하게 자극할 수 있습니다. 이 기술을 통해 과학자들은 단일 신경세포 수준에서 뇌의 기능을 분석하고, 특정 행동이나 감정이 유발되는 메커니즘을 규명해 나가고 있습니다. 이는 뇌 질환 치료와 인간 행동 이해에 새로운 지평을 열어주고 있습니다. 뇌의 복잡한 구조를 입체적으로 파악하기 위한 또 다른 돌파구는 뇌를 투명하게 만드는 기술입니다. 불투명한 세포막 성분을 특수한 화학 물질로 치환하면, 뇌를 얇게 자르지 않고도 내부의 신경망 연결 상태를 고해상도로 관찰할 수 있습니다. 이처럼 투명해진 뇌는 마치 지도를 보듯 신경세포 하나하나의 경로를 추적할 수 있게 해줍니다. 이러한 첨단 기술들의 융합은 인간의 마음과 뇌의 관계를 이해하려는 인류의 오랜 꿈을 현실로 바꾸어 놓을 것입니다. 우리는 이제 뇌라는 소우주를 탐험하며 마음의 실체에 그 어느 때보다 가까이 다가가고 있습니다.

이준호

카오스재단카오스강연

생명과학
뇌인지과학

[강연] 인간의 뇌는 과연 특별한가? (4) _ 김경진 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 2강 | 2강 ④

우리 뇌의 신경 신호전달은 단순히 전선처럼 연결된 전기적 흐름이 아닙니다. 뉴런과 뉴런 사이의 시냅스를 통해 신호가 전달되는 과정은 일종의 릴레이 방식과 유사합니다. 이때 다음 뉴런을 흥분시키거나 억제하는 신경전달물질이 동시에 작용하며, 여러 신호가 합쳐져 발화 여부를 결정하는 '대의 민주주의적' 합의 과정을 거칩니다. 이러한 복잡성은 0과 1로만 이루어진 디지털 신호보다 훨씬 높은 유연성을 제공하며, 수만 개의 뉴런이 동시에 움직이는 정교한 동기화 기작을 가능하게 합니다. 특정 뇌 부위의 손상을 대체하기 위한 뇌 이식은 현대 과학이 꿈꾸는 기술이지만, 신경 회로를 다시 연결하는 것은 매우 어려운 과제입니다. 현재는 줄기세포를 이용한 접근보다는 전극을 삽입해 전기적 신호를 주고받는 '뇌-기계 인터페이스(BMI)' 기술이 더 활발히 연구되고 있습니다. 이는 손상된 신경망을 대신해 외부 기기나 로봇 팔을 제어하는 방식으로, 물리적인 뇌 조직의 이식을 넘어선 새로운 치료 가능성을 제시합니다. 기술의 발전은 인간의 의지를 기계적 신호로 변환하여 신체적 한계를 극복하는 시대로 우리를 안내하고 있습니다. 인간의 뇌와 컴퓨터의 결정적인 차이는 하드웨어의 가변성과 신경전달물질에 있습니다. 컴퓨터는 고정된 하드웨어 위에서 0과 1의 신호만 오가지만, 뇌는 도파민과 같은 다양한 신경전달물질을 사용하여 정보 전달의 다양성을 유지합니다. 또한 뇌는 외부 자극과 환경에 따라 구조 자체가 변화하는 가소성을 지니고 있어, 고정된 기계보다 훨씬 융통성 있게 상황에 대처할 수 있습니다. 이러한 생물학적 특징은 인간이 복잡한 감정과 사고를 처리하며 끊임없이 학습하고 적응할 수 있게 만드는 근본적인 힘이 됩니다. 인간의 뇌가 비약적으로 진화할 수 있었던 배경에는 에너지 효율과 사회적 상호작용이라는 중요한 요소가 자리 잡고 있습니다. 불의 발견과 요리 문화는 영양 섭취의 효율성을 높여 뇌가 필요로 하는 막대한 에너지를 공급할 수 있게 했으며, 이는 신피질의 급격한 발달로 이어졌습니다. 또한 타인과의 관계 속에서 속고 속이지 않으려는 사회적 압력과 지적 능력이 뛰어난 개체가 선택받는 성 선택 과정 역시 뇌의 고도화를 이끈 동력이 되었습니다. 이러한 진화적 선택은 인간을 단순한 생존을 넘어 고도의 정신 활동을 영위하는 존재로 탈바꿈시켰습니다. 예쁜꼬마선충의 커넥톰 해독은 신경과학 분야에서 콜럼버스의 신대륙 발견과도 같은 획기적인 사건입니다. 비록 1mm 크기의 작은 생명체일지라도 그 신경망 지도를 완성하는 데는 10년이라는 긴 시간이 소요되었으며, 이는 뇌의 복잡성을 단적으로 보여줍니다. 하지만 지도를 가졌다고 해서 그 안에서 일어나는 모든 정보의 흐름과 행동의 원리를 완벽히 이해한 것은 아닙니다. 이제 우리는 신경망의 구조를 넘어 그 속에서 신호가 어떻게 운영되고 군집을 이루는지 탐구하는 새로운 시작점에 서 있으며, 이는 인공지능과 로봇 공학의 미래에도 깊은 영감을 줄 것입니다.

김경진, 김재상, 선웅

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