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뇌는 인체에서 가장 복잡한 장기다. 수많은 세포들이 정교하게 연결돼 있는데 어떻게 신호가 오가는지는 아직 완전하게 규명되지 않았다. 알츠하이머병, 파킨슨병 등 뇌 질환을 극복하려면 미지의 영역을 밝혀야 한다.
인공 뇌 모델은 뇌를 실험실 환경에서 재현해 뇌 세포 손상, 뇌 질환 발생 등을 연구하는 데 도움이 된다. 지금까지 개발된 평면적인 세포 배양 방식이나 줄기세포 기반 장기 유사체(오가노이드)는 아직 실제 뇌의 복잡한 구조와 기능을 구현하는 데 한계가 있다.
연구팀은 기존 한계를 넘기 위해 ‘생명공학 신경망’(BENN)을 개발했다. 3D 프린터를 이용해 집을 짓듯 뇌의 구조를 층층이 쌓아 올려 만든 인공 뇌 모델이다. 실제 뇌처럼 ‘회백질’과 ‘백질’ 두 구역으로 나뉘는 것이 핵심이다. 회백질은 신경세포의 본체가 모여있는 영역이고 백질은 신경세포 축삭(돌기)들이 정렬돼 위치하는 정보 고속도로 같은 영역이다.
연구팀은 BENN 모델이 실제 뇌처럼 작동하도록 전기자극을 가해 신경세포들이 정해진 방향으로 길게 자라도록 유도했다. 신경세포들이 자연스럽게 연결되도록 만들어 뇌의 정보 전달 회로와 유사한 신경망을 형성했다. 연구팀이 BENN 모델에서 칼슘 이온의 움직임을 실시간으로 관찰한 결과 뇌처럼 전기 신호를 주고받는 반응이 관찰됐다.
연구팀은 BENN 모델을 활용해 알코올이 뇌에 미치는 영향도 실험했다. 0.03%의 에탄올 농도를 뇌 모델에 3주간 매일 적용하자 회백질 영역에서 알츠하이머와 관련된 단백질인 아밀로이드 베타 단백질과 타우 단백질이 증가했다. 백질 영역에서는 신경섬유가 휘거나 부풀어 오르는 변형이 나타났다. 신경 신호의 흐름도 눈에 띄게 둔해졌다. 알코올로 인한 뇌 영역별 반응을 실시간으로 관찰하고 시각화한 것은 이번 연구가 처음이다.
조동우 교수는 “이전 모델로는 관찰하기 어려웠던 신경 연결 상태나 전기 신호 반응까지 정밀하게 분석할 수 있게 됐다”며 “전임상 단계에서 질환을 조기에 확인하고 치료 효과를 정확히 예측하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 말했다. 장진아 교수는 “실험실에서도 뇌 질환의 초기 반응을 확인할 수 있는 길이 열렸다”고 전했다.
