구글, 수컷 초파리 뇌 지도 완성: 16만 6천 개 뉴런 연결한 역대 최대 커넥톰

동물이 세상을 감지하고 몸을 움직이는 원리를 완전히 이해하는 가장 확실한 방법은 몸속의 모든 신경 회로를 한 가닥씩 지도처럼 그려내는 것입니다.

구글과 과학자들이 이 지난한 작업을 끝내 현실로 만들었습니다. 구글 리서치는 HHMI 자넬리아 연구소, 케임브리지 대학교, 영국 MRC 분자생물학 연구소와 협력해 성체 수컷 초파리의 뇌와 중추신경계 전체를 아우르는 연결망 지도(커넥톰)를 완성하고 이를 학술지 'Cell'에 발표했습니다.

신경세포 수 기준으로 지금까지 제작된 뇌 지도 중 세계 최대 규모입니다.

신경세포 16만 6천 개와 척수 신경망의 완전한 복원

이번에 공개된 지도에는 16만 6천 개 이상의 뉴런과 약 1억 2,500만 개의 시냅스 연결이 모두 기록되었습니다.

연구팀은 크기, 형태, 기능, 유전자 발현 등을 바탕으로 신경세포를 약 1만 1,700가지의 세부 유형으로 분류해 냈습니다.

무엇보다 중요한 점은 머릿속 뇌에만 그치지 않고, 인간의 척수에 해당하는 '복부 신경삭'까지 온전히 포함했다는 사실입니다.

덕분에 과학자들은 초파리의 겹눈과 입을 통해 들어온 감각 신호가 뇌의 어느 중계 지점을 거쳐 몸통의 운동 뉴런으로 전달되는지, 감각에서 운동으로 이어지는 전체 흐름을 단절 없이 추적할 수 있게 되었습니다.

AI 슬라이스 재구성부터 구애 행동 회로 규명까지

이 지도를 만들려면 신경계를 수백만 장의 초박편으로 잘라 전자현미경으로 촬영한 뒤, 2차원 단면들을 컴퓨터로 이어 붙여 3차원 입체로 복원해야 합니다.

구글 팀은 합성 신경세포 데이터를 학습에 도입한 최신 복원 시스템 'PATHFINDER'와 합성곱 기반 플러드 필링 네트워크를 사용해 자동화 속도와 정확도를 크게 끌어올렸습니다. 다만 알고리즘만으로 끝내지 않고, 자넬리아 연구소의 숙련된 전문가들이 수년에 걸쳐 직접 오류를 검증하고 주석을 달았습니다.

이전에 제작된 암컷 초파리 뇌 지도와 비교해 성별에 따른 차이를 세포 단위에서 밝혀낼 수 있다는 점도 흥미롭습니다.

대다수 뉴런은 암수 동일하지만 일부는 성별 특이적이며, 세포 형태는 같아도 연결된 이웃 회로가 다른 '이형성' 뉴런도 확인되었습니다. 예를 들어 구애 행동에 관여하는 수컷 특이 신경 'LoVP92'를 거쳐 운동 뉴런으로 이어지는 시각-운동 경로가 구체적으로 밝혀졌습니다. 전체 데이터는 오픈소스 도구인 뉴로그랜서(Neuroglancer)를 통해 누구나 자유롭게 탐색할 수 있습니다.

왜 중요한가

뇌과학 및 의학 연구자들에게 이번 지도는 신경 경로를 추측에 의존하지 않고 눈으로 직접 확인할 수 있는 절대적인 물리적 기준점을 제공합니다. 당장 인간의 질병을 직접 치료하는 것은 아니지만, 시각 처리와 사회적 행동 회로를 분자·세포 수준에서 연구할 수 있는 가장 탄탄한 기반이 마련되었습니다.

산업적 관점에서는 AI가 텍스트 생성 단계를 넘어 과학 연구(AI for Science)의 핵심 생산 도구로 안착했음을 입증한 사례입니다. 페타바이트급 전자현미경 이미지에서 수억 개의 시냅스를 찾아내는 일은 순수 수작업으로는 수십 년이 걸려도 불가능합니다. 구글은 컴퓨터 비전 기술을 극대화해 코끼리코물고기나 제브라피시 유생 같은 척추동물 뇌 지도로 파이프라인을 빠르게 확장하고 있습니다.

우리는 구글과 연구팀이 완전 자동화의 함정에 빠지지 않고 AI 재구성과 인간 전문가의 정밀 검수를 결합해 신뢰도 높은 데이터를 완성한 점을 높게 평가합니다. 다만 인간의 뇌는 초파리보다 약 50만 배 많은 860억 개의 뉴런을 갖고 있습니다. 현재의 절편 촬영 및 검수 방식을 포유류나 인간에게 그대로 적용하기에는 비용과 시간의 한계가 여전히 명확합니다. 그럼에도 한 생명체의 전체 신경 배선을 단 한 가닥의 누락 없이 손에 쥐게 되었다는 사실은 뇌과학 역사에서 분명한 이정표입니다.