수컷 초파리 뇌 16만6000개 뉴런 완전 지도…AI가 이은 1억2500만 시냅스의 최대 커넥톰

16만6000개가 넘는 뉴런과 1억2500만 개 시냅스 연결이 하나의 지도에 담겼다. 수컷 초파리의 뇌와 중추신경계를 세포 수준에서 끝까지 연결한 커넥톰으로, 뉴런 수 기준 지금까지 가장 큰 완전 뇌 지도다. AI가 수백만 장의 전자현미경 절편을 3차원 신경 구조로 잇고, 인간 전문가가 연결을 검증한 결과다.

Google Research와 HHMI Janelia 연구진의 설명에 따르면 이번 지도는 중앙 뇌와 시엽뿐 아니라 사람의 척수에 해당하는 복측신경삭까지 포함한다. 청각·시각·후각 입력이 운동 출력으로 이어지는 경로를 같은 데이터 안에서 추적할 수 있다는 뜻이다. 연구 결과는 Cell 논문으로 출판됐고, 데이터와 탐색 도구도 공개됐다.

커넥톰 제작은 뇌를 극도로 얇은 절편으로 자르고 각 단면을 촬영하는 일에서 시작한다. 문제는 평면 이미지 속 신경 돌기를 서로 연결해 정확한 3차원 세포로 복원하는 과정이다. Google Research는 합성곱 신경망 기반 flood-filling network 등으로 한 픽셀에서 출발해 같은 신경에 속하는 영역을 찾아냈다. 최신 PATHFINDER 시스템에는 합성 뉴런 학습 데이터도 넣어 복원 속도와 정확도를 높였다.

자동화만으로 끝난 작업은 아니다. HHMI Janelia의 전문가들이 AI가 만든 신경 형태를 교정하고 주석을 달았다. 현재 수준에서도 완전한 뇌 지도를 검증하는 데 수년의 사람이 필요하다. 따라서 이번 성과는 AI가 사람을 대체했다는 사례보다, 사람이 감당하기 어려운 영상 규모를 기계가 먼저 구조화하고 전문가가 생물학적 신뢰도를 확보한 협업 사례에 가깝다.

수컷 지도가 중요한 이유는 이미 공개된 암컷 초파리 커넥톰과 직접 비교할 수 있어서다. 연구진은 수컷의 특정 뉴런에 암컷에는 없는 두 개의 추가 돌기가 나타나는 사례를 제시했다. 두 성별의 완전한 뇌와 중추신경계를 나란히 놓으면 구애, 공격성 같은 행동의 차이가 어느 회로에서 시작되는지 조사할 수 있고, 비슷한 영역에서는 개체 간 변이도 측정할 수 있다.

이번 데이터는 완성된 지도 한 장보다 연구 기반에 가깝다. 동반 논문 세 편은 이미 시각, 미각, 사회적 행동 연구에 이 커넥톰을 사용했다. 데이터는 Neuroglancer에서 탐색하고 내려받을 수 있어 다른 연구팀이 특정 뉴런과 시냅스 경로를 독립적으로 분석할 수 있다.

다음 목표는 척추동물이다. 연구진은 전기신호 처리에 관여하는 코끼리코물고기 후뇌 회로를 분석했고, 애벌레 제브라피시의 신경 구조와 분자 유형을 함께 담은 전뇌 데이터도 준비하고 있다. 인간 뇌의 860억 개 뉴런을 같은 방식으로 지도화하기에는 아직 거리가 멀다. 그러나 수작업 교정량을 줄이는 AI가 더 정확해질수록, 초파리에서 검증한 방법은 물고기와 생쥐의 더 큰 회로로 확장될 수 있다.

앞으로 볼 지점은 지도가 실제 행동을 얼마나 잘 예측하느냐다. 정적인 연결선만으로 학습과 신경 가소성을 모두 설명할 수는 없다. 신경 활동 데이터와 구조 지도를 결합해 감각 입력이 행동으로 바뀌는 과정을 재현한다면, 이 1억2500만 개 연결은 신경계 질환과 뇌 회복을 연구하는 실험 가능한 모형으로 발전할 수 있다.