fMRI에서 광유전학까지: 뇌를 들여다보는 기술의 진화

뇌과학의 발전은 뇌를 관찰하는 기술의 발전과 궤를 같이해왔다. 1900년대 초 산티아고 라몬 이 카할(Santiago Ramón y Cajal)이 골지 염색으로 뉴런의 형태를 처음 관찰한 이래, 뇌 영상 기술은 놀라운 속도로 진화해왔다. 현재의 연구자들은 살아있는 뇌의 활동을 밀리초 단위로, 미크론 수준의 해상도로, 심지어 특정 유형의 뉴런만 선택적으로 조작할 수 있는 도구를 갖추고 있다.

구조를 보는 기술

brain scan MRI neuroscience imaging

CT와 MRI

1970년대 등장한 **컴퓨터 단층촬영(CT)**은 X선을 이용해 뇌의 단면 영상을 만들어 임상 신경학에 혁명을 가져왔다. 이후 1980년대에 자기공명영상(MRI)이 등장하면서 방사선 노출 없이 더 정밀한 연조직 영상이 가능해졌다.

현대 MRI의 발전은 눈부시다. **확산 텐서 영상(DTI)**은 뇌의 백질 섬유 경로를 추적할 수 있으며, 초고자장 MRI(7T 이상)는 피질 층 수준의 해상도를 제공한다. 최근에는 커넥톰(connectome) 프로젝트들이 뇌의 전체 배선도를 매핑하는 야심찬 시도를 진행 중이다.

기능을 보는 기술

기능적 MRI(fMRI)

1990년대 초 등장한 fMRI는 인지 신경과학의 대중화에 기여한 핵심 기술이다. 신경 활동이 증가하면 해당 영역의 혈류와 산소 소비가 증가하는데, fMRI는 산소화 혈색소와 탈산소화 혈색소의 자기적 성질 차이(BOLD 신호)를 감지하여 간접적으로 뇌 활동을 측정한다.

fMRI의 강점은 밀리미터 수준의 공간 해상도와 전뇌 커버리지지만, 시간 해상도가 초 단위라는 한계가 있다. 혈역학적 반응이 신경 활동보다 수 초 지연되기 때문이다.

PET

**양전자방출단층촬영(PET)**은 방사성 동위원소로 표지된 추적자를 주입하여 특정 분자(포도당, 신경전달물질 수용체, 아밀로이드 단백질 등)의 분포를 영상화한다. 방사선 노출과 높은 비용이 단점이지만, 분자 수준의 정보를 제공한다는 점에서 대체 불가능한 도구다.

뇌를 조작하는 기술

경두개 자기자극(TMS)

TMS는 두피 위에 코일을 대고 자기 펄스를 발생시켜 비침습적으로 뇌 활동을 자극하거나 억제하는 기술이다. 특정 뇌 영역의 기능을 일시적으로 교란하여 그 영역이 어떤 인지 기능에 필요한지 인과적으로 검증할 수 있다. 반복 TMS(rTMS)는 치료 저항성 우울증의 FDA 승인 치료법이기도 하다.

광유전학(Optogenetics)

2005년 스탠퍼드의 칼 디세로스(Karl Deisseroth)가 개발한 광유전학은 신경과학의 게임 체인저라 불린다. 빛에 반응하는 이온 채널 단백질(채널로돕신 등)을 유전공학적으로 특정 유형의 뉴런에만 발현시킨 뒤, 광섬유로 빛을 비추면 해당 뉴런만 밀리초 단위로 정밀하게 켜고 끌 수 있다.

이 기술 덕분에 연구자들은 "이 특정 뉴런 집단이 활성화되면 어떤 행동이 일어나는가?"라는 질문에 인과적으로 답할 수 있게 되었다. 광유전학은 현재까지 주로 동물 실험에 사용되지만, 망막색소변성증에 대한 인간 임상시험이 진행 중이다.

화학유전학(Chemogenetics)

광유전학과 유사한 원리를 사용하되, 빛 대신 특정 디자이너 약물로 변형된 수용체(DREADD)를 활성화하는 기술이다. 광섬유 삽입이 필요 없어 만성 실험에 적합하며, 수 시간 동안 지속적인 뉴런 활동 조절이 가능하다.

미래의 도구들

투명화 기술(CLARITY 등): 뇌 조직을 투명하게 만들어 뇌 전체의 신경 회로를 3D로 시각화
확장 현미경(expansion microscopy): 조직을 물리적으로 팽창시켜 일반 현미경으로도 나노 수준 구조를 관찰
전자 현미경 기반 커넥토믹스: 나노미터 해상도로 시냅스 수준의 연결 지도 완성
초음파 신경조절: 초음파를 이용해 비침습적으로 깊은 뇌 구조를 자극하는 기술

각 기술은 고유한 강점과 한계를 가지고 있으며, 이 때문에 현대 뇌과학은 여러 기술을 조합하여 사용하는 다중 모달 접근법을 지향한다. 뇌를 이해하기 위한 도구가 다양해질수록, 우리는 이 3파운드짜리 기관의 비밀에 한 걸음씩 더 가까이 다가가고 있다.

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참고 자료 (외부 링크):