사람 뇌 지도에서 뉴런 하나를 따라가 봤다 — 방법, 숫자, 그리고 우리가 틀렸던 것
공개된 H01 사람 대뇌피질 커넥톰을 열어 5층 추체세포 하나에 들어오는 입력을 전부 셌다. 시냅스 6,131개, 축삭 조각 4,761개. 영상에서 다 못 한 방법·그림·한계를 정리한다.
유튜브 영상 We followed one neuron through a map of the human brain (H01)의 짝 글입니다. 영상은 누구나 볼 수 있게 쉬운 말로 만들었고, 이 글은 숫자·방법·한계를 확인하고 싶은 분들을 위한 것입니다.
English version: We Followed One Neuron Through a Map of the Human Brain
H01의 5층 추체세포 하나(세포 6644185383). 점 하나하나가 입력 시냅스입니다. 초록 = 흥분성으로 분류, 빨강 = 억제성으로 분류. 공개 데이터(CC BY 4.0)로 직접 렌더링했습니다.
왜 뉴런 하나인가
2024년 하버드·구글 연구팀은 사람 측두엽 피질 약 1세제곱밀리미터를 시냅스 수준까지 재구성한 H01을 발표했습니다. 세포 약 57,000개, 시냅스 1억 5천만 개, 전자현미경 영상 1.4페타바이트입니다(Shapson-Coe 외, Science 2024). 이 조직은 약물 난치성 뇌전증 수술 중, 더 깊은 병소에 접근하는 과정에서 떼어낸 것입니다.
이 숫자들은 이미 많이 소개됐습니다. 하지만 데이터를 직접 열어 본 소개는 드뭅니다. 그래서 뉴런 하나를 골라 세 가지를 물었습니다.
- 누가 이 뉴런에 메시지를 보내고, 각각 몇 번씩 연결하는가?
- 입력 종류별로 세포의 어디에 붙는가?
- 가장 「큰 목소리」를 내는 입력 하나는 무엇인가?
데이터 요약
| 항목 | 값 | 출처 |
|---|---|---|
| 시료 | 약 1 mm³, 전측 중측두회 | 논문 |
| 절편 | 5,019장, 평균 33.9 nm(총 0.170 mm) | 논문 본문 |
| 화소 | 4 × 4 nm | 논문 |
| 사용한 분할 | c3(보수적 결합: 잘못 합쳐짐은 적고, 끊김은 많음) | H01 공개본 |
| 시냅스 | 자동 검출 + 흥분/억제 자동 분류 | H01 공개본 |
| 대상 세포 | 6644185383 — H01 세그먼트 속성표에 L5 · pyramidal | H01 공개본 |
우리 초안의 오류 정정: 처음에 「5,293장」이라고 썼는데, 이는 4nm_raw/info의 z축 격자 크기였고 실제 절편 수가 아닙니다. 논문에 보고된 수는 5,019장입니다.
방법
아래 과정은 모두 공개 버킷 gs://h01-release(일반 HTTPS로 읽힘)만 썼고, 특별한 소프트웨어는 필요 없습니다.
- 이 세포로 들어오는 입력. 시냅스 주석 층(
c3/synapses/precomputed)에는post_synaptic_cell색인이 있습니다. 대상 세포로 조회하면 위치와 흥분/억제 분류가 붙은 시냅스 6,131개가 나옵니다(흥분 4,012 · 억제 2,119). - 각각을 누가 보냈나. 이 색인에는 보낸 쪽 정보가 없어서, 시냅스를 ID로 하나씩 열어(
by_id)pre_synaptic_cell관계를 읽었습니다. 66개는 보낸 쪽 세그먼트가 지정돼 있지 않았고, 나머지 6,065개는 서로 다른 축삭 세그먼트 4,761개에서 왔습니다. - 어디에 붙나. 세포 자신의 메시에 반경 15 µm mean-shift를 적용해 세포체 중심을 다시 잡고, 각 시냅스까지 직선거리를 쟀습니다.
읽기 코드는 JavaScript 약 150줄입니다(샤딩된 precomputed 형식, MurmurHash3, gzip). 파이썬 단계별 버전은 별도 튜토리얼로 올리겠습니다.
발견 1 — 대부분은 속삭이고, 소수가 소리친다
- 축삭 세그먼트의 81%(4,761개 중 3,862개)는 이 세포에 딱 한 번 연결합니다.
- 하지만 두 번 이상 연결하는 세그먼트들이 입력의 36%(6,065개 중 2,203개)를 차지합니다.
- 10번 이상 연결하는 세그먼트는 4개뿐입니다.
이는 논문이 말한 「수천 개의 약한 연결 속 드문 강한 연결」과 같은 그림입니다(논문은 볼륨의 다른 곳에서 한 세포에 최대 약 50개 시냅스를 만드는 축삭을 보고했습니다).
한쪽으로 기우는 단서. c3 분할은 축삭을 잘못 합치기보다 끊는 쪽이 더 많습니다. 실제 축삭 하나가 여러 조각으로 끊기면, 반복 연결 하나가 단일 연결 여러 개로 세어집니다. 그래서 81%는 과대추정, 36%는 과소추정일 가능성이 큽니다.
발견 2 — 세포체는 억제 입력에 둘러싸여 있다
- 세포 전체로는 입력의 **35%**가 억제성으로 분류됩니다.
- 세포체 중심 20 µm 안에서는 **129개 중 126개(98%)**가 억제성입니다.
- 100~200 µm에서는 약 4분의 1까지 내려갔다가, 400 µm 넘는 먼 가지에서는 다시 올라갑니다.
교과서의 세포체 주변 억제(perisomatic inhibition) 그림 그대로입니다. 억제성 중간뉴런이 세포체를 겨냥하는데, 세포체는 뉴런이 발화할지 결정하는 지점(엄밀히는 바로 옆의 축삭 시작 분절)과 가깝습니다.
가장 중요한 단서. 논문에 따르면 흥분/억제 자동 분류기는 시냅스의 생김새와 함께 수상돌기 가시(spine)에 붙었는지를 판단 근거로 씁니다. 세포체에는 가시가 없습니다. 따라서 98%의 일부는 분류 방식 때문일 수 있습니다. 우리 결과는 교과서와 일치하지만, 교과서를 독립적으로 검증한 것은 아닙니다. 논문 전체로는 분류기가 흥분 시냅스를 86.9%, 억제 시냅스를 85.0% 정확하게 분류한다고 보고합니다. 검출 자체의 오검출률은 흥분 3.2%·억제 2.7%이고, 억제 시냅스의 약 35%(흥분은 11%)를 놓친다고 보고하는데, 이 놓침은 반대 방향으로 작용합니다.
발견 3 — 우리가 찾은 가장 큰 목소리
주황: 축삭 세그먼트 15684336582. 이 뉴런에 만든 시냅스 17개가 모두 세포체 위에 있습니다.
이 뉴런에 시냅스를 가장 많이 만든 세그먼트는 17개를 만들었고, 전부 억제성으로 분류되며, 모두 세포체 중심에서 8.6~10.2 µm, 즉 세포체 표면 위에 있습니다. 3D로 보면 세포체 위로 아치를 그리며, 브레이크를 잡은 손처럼 보입니다.
데이터 전체에서 이 세그먼트는 다른 출력 시냅스가 없습니다. 놀라워 보이지만, 거의 확실히 세포의 성질이 아니라 조각의 성질입니다. 축삭의 나머지 부분이 이 세그먼트로 이어지지 않았을 뿐이고, 세포체 주변을 겨냥하는 억제성 축삭(바구니세포 계열)은 보통 여러 세포에 연결합니다.
「상위 목록」에서 추가로 확인한 것 두 가지:
- 2위 세그먼트(11개)는 출력 640개에 흥분·억제 분류가 섞여 있습니다. 잘못 합쳐진 오류일 가능성이 커서 이야기에서 뺐습니다.
- 흥분·억제 분류가 둘 다 나오는 세그먼트가 153개(시냅스 433개) 있습니다. 실제 축삭은 한쪽이어야 합니다. 집계에는 포함했고, 빼면 단일 연결 84%, 반복 연결이 차지하는 입력 **31%**로 결론은 같습니다.
만드는 과정에서 틀렸던 것(그리고 고친 것)
영상이 나가기 전 외부 리뷰에서 여러 군데가 잡혔습니다. 이 블로그의 Methodology 원칙에 따라 그대로 공개합니다.
| 초안 | 고친 판 | 이유 |
|---|---|---|
| 「절편 5,293장」 | 5,019장 | 격자 크기 ≠ 절편 수 |
| 「이 뉴런은 약 6,000개 메시지를 받는다」 | 「이 지도 안에서 약 6,000개를 볼 수 있다」 | 볼륨 경계에서 수상돌기 대부분이 잘림 → 6,131은 하한 |
| 「축삭 4,700개」 | 축삭 세그먼트 약 4,800개 | 두 출처를 섞었음 · 세그먼트 ≠ 축삭 |
| 「다른 곳엔 시냅스를 만들지 않는다」 | 「이건 조각일 뿐」 | 생물학이 아니라 조각의 성질 |
| 「뉴런이 발화를 결정하는 곳」 | 「…결정하는 곳 바로 옆」 | 발화는 축삭 시작 분절에서 시작 |
| 「최대 50」 장면이 화면 속 쌍을 암시 | 화면 속 쌍은 8개(우리 집계) | 논문의 약 50은 다른 쌍 |
| 「98% 억제」를 발견처럼 | 「일치하지만 검증은 아님」 | 분류기가 가시 여부를 씀 |
한계 한눈에
- 뉴런 하나, 뇌전증 환자 한 사람의 조직. 모든 뇌가 이렇지는 않을 수 있습니다.
- 사람이 교정하지 않은 자동 분할(c3): 끊긴 축삭, 일부 잘못된 합침.
- 시냅스 검출과 흥분/억제 분류도 자동입니다: 정확 분류 86.9% / 85.0%(흥분/억제), 오검출 3.2% / 2.7%, 놓침 11% / 35%(논문).
- 거리는 가지를 따라 잰 길이가 아니라 직선거리입니다.
- H01 세그먼트 속성표의 이 세포 흥분/억제 수(2,947 / 2,056)는 우리가 쓴 시냅스 주석(4,012 / 2,119)과 다릅니다. 본문은 주석 기준이며, 차이를 밝혀 둡니다.
다음 편
영상 마지막에 예고한 대로, 다음은 **영상을 보는 동안 활동이 기록된 쥐 뇌(MICrONS)**에서 같은 질문을 던집니다. 그 데이터에는 사람이 교정한 뉴런과 실제 활동 기록이 있어서, 위 한계 일부를 확인해 볼 수 있습니다.
참고문헌
- Shapson-Coe A. 외 (2024). A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution. Science 384: eadk4858. doi:10.1126/science.adk4858
- H01 데이터 공개본,
gs://h01-release/data/20210601— CC BY 4.0
데이터: H01 공개본(CC BY 4.0). 이 글의 집계·그림·렌더는 공개 데이터에 대한 우리의 탐색적 분석입니다. 의학적 조언이 아닙니다.