머리카락보다 얇은 과학자들은 인간의 뇌를 "모니터링"하기 위해 탐침을 사용합니다.

요약:

11월 2일 네이처(Nature)지에 실린 보고서에 따르면 뉴로픽셀(Neuropixels)이라고 불리는 초미세 신경 탐침이 과학자들의 뇌 연구 방식을 바꾸고 있다고 합니다. 인간의 머리카락보다 얇은 이 장치는 수백 개의 뉴런의 전기적 활동을 동시에 기록할 수 있어 연구자들은 전례 없는 정밀도로 뇌 내부의 정보 처리 과정을 관찰할 수 있습니다. 현재 이 기술은 동물실험을 시작으로 점차 인간의 뇌 연구에 들어와 있다.

런던 병원의 수술실에서 과학자들은 인간 두뇌의 소리를 직접 '듣기' 위해 노력하고 있습니다.

한 여성 환자가 영국 런던의 국립 신경과 및 신경외과 병원에서 정상압수두증으로 인해 션트 수술을 받았습니다. 수술 중에 그녀는 특별한 실험에 참여하기로 동의했습니다. 의사는 길이가 약 1cm이고 머리카락보다 얇은 Neuropixels 프로브를 뇌에 잠시 삽입하여 뉴런의 전기 신호를 실시간으로 기록했습니다.

그런 다음 연구자들은 환자들에게 '사각지대', '주차장', '돼지 저금통' 등 일련의 단어를 들려주어 뇌가 다양한 단어 사이의 전환을 어떻게 처리하는지, 단어의 빈도와 친숙도가 신경 활동에 어떤 영향을 미치는지 확인했습니다.

수술실에 소리가 울리면서 모니터링 화면에 나타나는 신경 신호 파형이 크게 달라졌다. 이는 연구자들이 프로브를 통해 외부 언어 자극에 대한 인간 두뇌의 실시간 반응을 포착할 수 있다는 것을 의미합니다.

과거에는 과학자들이 뇌파검사나 이식 전극을 사용하여 인간의 뇌 활동을 모니터링할 수 있었지만 종종 많은 수의 뉴런에서 생성된 신호만 얻을 수 있었기 때문에 개별 뉴런이 무엇을 하고 있는지 구별하기가 어려웠습니다.

프랑스 파리 로스차일드 재단 병원의 신경외과 의사인 피에르 부르디용(Pierre Bourdillon)은 생생한 비유를 사용하여 이 기술의 획기적인 발전을 설명했습니다.

기존 EEG 모니터링은 혼잡한 교차로에 마이크를 배치하고 뒤죽박죽된 소리에서 각 사람의 대화를 구별하려고 하는 것과 같습니다. 뉴로픽셀은 개개인의 목소리를 듣기 위해 각자의 옷깃에 마이크를 설치하는 것에 더 가깝다.

“우리는 모든 사람이 개별 마이크를 사용할 수 있는 단계에 이제 막 도달하기 시작했습니다.”라고 그는 말했습니다.

이 기술의 주요 혁신은 과학자들이 수많은 개별 뉴런의 활동을 동시에 관찰할 수 있다는 것입니다.

뉴로픽셀은 2017년 처음 출시됐으며 미국 하워드휴즈의학연구소 자넬리아연구소, 벨기에 마이크로일렉트로닉스연구센터(Imec) 등 기관과 협력해 개발됐다.

1세대 Neuropixels 프로브에는 960개의 기록 사이트가 있으며 그 중 384개는 동시에 신호를 읽을 수 있습니다. 실리콘 탐침 본체는 머리카락만큼 얇으며 신경 신호를 읽고 증폭하고 디지털화하는 나노 SIM 카드 크기의 칩에 연결됩니다.

초기 동물 실험에서 과학자들은 쥐의 뇌에 두 개의 탐침을 이식하여 동시에 뇌의 5개 영역에 분포된 약 700개의 뉴런을 성공적으로 기록했습니다.

2021년 출시된 뉴로픽셀 2.0은 5120개 녹음 사이트, 1536개 동시 읽기가 가능한 등 녹음 성능을 더욱 향상시켰고, 기기도 가벼워졌다.

신세대 기술을 사용하여 과학자들은 쥐의 뇌에서 수만 개의 뉴런을 동시에 기록할 수 있었고 일부 실험에서는 이를 몇 달 동안 추적할 수 있었습니다.

이는 연구자들이 더 이상 뇌의 특정 영역의 활동을 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 대신 다양한 뇌 영역이 어떻게 함께 작동하는지 연구할 수 있음을 의미합니다.

2025년에는 국제 공동연구가 더 큰 규모의 성과를 거두었습니다.

미국과 유럽의 12개 연구소가 공동으로 연구를 수행했습니다. Neuropixels 기술을 사용하여 쥐 139마리의 뇌 279개 영역에서 620,000개 이상의 뉴런 활동을 기록하고 시각, 움직임, 의사 결정과 같은 기능과 관련된 뇌 전체의 신경 활동 지도를 그렸습니다.

연구에 따르면

감각, 인지, 운동과 관련된 신경 신호는 이전에 생각했던 것보다 뇌에 더 광범위하게 분포되어 있을 수 있습니다.

현재 Neuropixels는 전 세계 약 1,700개 실험실에서 사용되고 있으며 연구 대상에는 생쥐, 얼룩말 핀치, 턱수염도마뱀, 심지어 문어까지 포함하여 20종이 넘는 동물이 포함됩니다.

영장류 연구에서도 이 기술은 상당한 변화를 가져왔습니다.

스탠퍼드 대학교의 신경과학자 티린 무어(Tirin Moore)는 뉴로픽셀이 출현하기 전에는 실험이 잘 진행되더라도 연구자들은 보통 하루에 약 20개의 영장류 뉴런의 활동만 기록할 수 있었다고 말했습니다. 오늘날 그들은 최소한 100개의 뉴런을 일상적으로 기록할 수 있습니다.

무어는 그러한 도구가 없다면 영장류 신경과학 연구는 심각한 제한을 받을 것이라고 믿습니다.

현재 스탠포드 대학 연구팀은 뇌가 시각 정보를 처리하는 방식을 더 자세히 이해하기 위해 Neuropixels를 사용하여 짧은꼬리원숭이 시각 시스템의 고해상도 신경 활동 지도를 그릴 계획입니다.

뉴로픽셀이 뇌-컴퓨터 인터페이스 애플리케이션을 위한 이식형 장치와 정확히 동일하지는 않다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

현재 주요 용도는 기초 신경과학 연구에 있으며, 과학자들이 뉴런 활동을 기록하여 감각, 움직임, 인지, 의사결정과 같은 과정을 이해하도록 돕습니다. 관련 연구가 미래의 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술과 신경질환 연구의 기반을 제공할 수는 있지만, 이것이 뉴로픽셀이 성숙한 임상 치료 역량을 갖추고 있다는 의미는 아닙니다.

'Nature'에서는 Neuropixels가 신경과학을 새로운 단계로 끌어올리고 있다고 지적했습니다. 과학자들은 뇌의 다양한 영역이 활성화되는지 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 개별 뉴런이 복잡한 정보 처리에 어떻게 참여하는지 추가로 연구할 수 있습니다.

생쥐부터 영장류, 인간 수술실까지, 머리카락처럼 얇은 이 탐사선은 과학자들이 인간 두뇌의 작동 메커니즘을 더 높은 정밀도로 탐구하는 데 도움이 됩니다.