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[ 강연자 소개]
경남 사천에서 출생하여 동성 초등, 사천 중학교를 거쳐 진주고등학교를 졸업했다. 서울에 대학 입학시험 보러 왔을 때가 서울에 네 번째 와 보는 것일 정도로 변방의‘촌놈’이었다. 대학에 입학해서는 군사정권 시절 나의 학문 성취보다 사회의 민주화가 더 절실하다고 느꼈고 공부에 뜻을 잃었다. 징계를 당하고 군대를 다녀온 후 공부를 다시 시작했다. 생명과 생물학의 매력을 그때 처음 느끼기 시작했다. 그 때 이후로, 생명에 대한 경외감이 현재진행형으로 매일 조금씩 자라고 있다고 느끼는, 꼬마선충에 모든 것을 걸고 있는, 생물학계의‘촌놈’이다. 아무리 작은 질문이라도 이 세상에서 아무도 답하지 않은 질문을 찾아 23년간 방황해 왔고 그동안 작은 성공과 많은 실패를 쌓아왔다. 지금은 예쁜꼬마선충을 통해 행동을 조절하는 신경회로와 유전적 조절, 그리고 텔로미어 유지기전 등에 큰 관심을 가지고 연구하고 있다.
[ 강연 요약문 ]
사람들이 가지는 궁극의 호기심의 대상은 우주와 뇌일 것이다. 본 강연은 뇌에 관한 것이다. 뇌를 밝히는 방법으로 뇌의 연결 구조 (커넥톰) 를 샅샅이 밝히고자 하는 원대한 계획에 관한 이야기를 할 것이다. 지금까지 예쁜꼬마선충이 커넥톰이 모조리 밝혀진 유일한 동물이기 때문에 본 강연에서는 꼬마선충의 사례를 중심으로 (꼬마선충으로 한정하는 것은 아님) 커넥톰의 방법, 의미, 그리고 한계 등을 짚어보면서 미래과학이 뇌를 어떻게 요리할 것인지를 논의해 보고자 한다. 그리고 커넥톰을 유선통신에 비유한다면 무선통신에 해당하는 다른 종류의 신경 연결망도 존재하며 그 또한 아주 중요함을 논증해 보이고자 한다.
[ 강연 개요 ]
노벨상 수상자 프란시스 크릭이 DNA 이중나선 구조를 밝힌 후 평생 동안 천착한 질문은‘의식’이었다. 의식이라는 고도의 신경작용이 어떻게 형성되는 것일까? 이 질문은 심오한 질문이기는 하지만 뇌의 신비에 대한 하나의 질문일 뿐일 정도로 뇌는 미지의 세계이다.
2013년 미국에서는 BRAIN 이니셔티브가 선포되었다. Brain(B)을 연구 (R) 하는데 획기적인 (I) 신경기술 (N)을 진전(A) 시킴으로써 가능하게 하겠다는 원대한 포부이다. 그런데 잘 들여다보면 Brain을 이해하기위한 도구가 부족하다는 고백이 담겨져 있음을 알 수 있다. 기술의 진전이 있어야 뇌가 보인다는 선언인 것이다. 노벨상 수상자인 시드니 브레너가 언젠가‘과학에서의 진전은 새로운 기술, 새로운 발견, 그리고 새로운 아이디어에 의존한다, 그리고 아마 그 순서대로일 것이다’라고 일갈한 바와 같이 기술이 없이는 발견이나 아이디어는 공허할 것이다.
그동안 뇌를 들여다 보기 위한 새로운 기술들이 많이 개발되었다. 특히 최근에 한국 과학자가 관여하여 개발한 ‘투명한 뇌’가 큰 반향을 일으켰고 중요한 기여를 할 것이다. 현재까지 가장 첨단으로 이루어지고 있는 뇌 분석법을 간략하게나마 소개하려 한다. 다양한 기술들의 진전에도 불구하고 아직은 가장 높은 해상도로 시냅스까지 들여다 볼 수 있는 것은 20세기 중엽에 개발된 전자현미경이다. 다양한 전자 현미경 기술이 접목되어 뇌를 단일 신경세포를 넘어 단일 시냅스의 수준까지 연결시켜 보려는 시도가 꿈만은 아닌 상황이 되고 있다. 앞으로 BRAIN 이니셔티브를 통해 우리가 상상하지 못했던 기술들이 가능해 질 수도 있을 것이다.
1963년 시드니브레너 박사는 분자생물학의 미래는 발생과 신경계를 푸는 것에 있다고 예측하면서 꼬마선충을 새로운 동물모델로 도입하였다. 그가 추구한 전략은 표현형질을 따라가는 유전학을 통해 새로운 돌연변이를 만들어 유전자를 분석하는 일, 꼬마선충의 몸은 항상 일정한 수의 세포로 이루어져 있음에 착안하여 수정란에서 성체에 이르는 과정에서 일어나는 모든 세포분열을 기록하는 세포계보를 만드는 일, 그리고 약 1 밀리미터 길이의 선충 한 마리를 얇게 잘라 1만장이 넘는 섹션을 만들고 이를 모두 전자현미경으로 찍어서 신경세포와 시냄스를 포함하는 모든 몸의 구조를 3차원으로 재구성해 내는 일이었다. 이 마지막 과업이 요즘 말로 커넥톰을 만들어내는 일이었다. 1980년대에 이 일이 시작되고 진행되어 10년 이상의 시간을 써서 결국 완성해 내니 꼬마선충은 아직까지도 전체 커넥톰이 알려진 유일한 동물이 되었다.
커넥톰을 가지고 무엇을 알 수 있을까? 게놈이 생명의 설계도인 것과 마찬가지로 커넥톰도 신경계의 설계도라 할 수 있겠다. 설계되지 않은 신경 작용은 나타나지 않는 것은 당연하지만 모든 신경 작용이 동시에 모든 곳에서 일어나지는 않으니 조절되는 신경계 기능을 담고 있는 설계도라 하는 것이 맞겠다. 커넥톰 분석의 사례를 두가지 정도 들까 한다. 하나는 신경세포들의 관계를 따져서 어떤 신경세포들이 더 잘 어울려서 일을 할 것인지를 계산해 보는 것이고, 다른 하나는 신경계 중 외부자극을 주었을 때를 모방하여 시뮬레이션해서 그 결과물이 어떻게 될지를 예측해 보는 일이다.
그리고 커넥톰을 유선통신망 하드웨어에 비유한다면 무선통신망에 해당하는 소프트웨어적 성질을 가지는 다른 종류의 신경 연결망도 존재하며 그 또한 아주 중요함을 논증해 보이고자 한다. 한 예로 뉴로펩타이드에 의한 신경계 조절을 들 것이다.
마지막으로 강연자의 연구실에서 무모하게 도전하고 있는 새로운 프로젝트를 소개하려 한다. 신경계의 연결망이 항상 일정하게 유지되는 것은 아니라 신경계가 태어나서 어른이 되는 과정에서도 계속 변할 수 있다. 특히 꼬마선충의 경우 환경 조건에 따라 전혀 다른 모양의 유충 (다우어라고 부른다)으로 발생할 수 있는데, 이 발생단계의 다우어는 다른 단계에서는 하지 않는 행동을 하게 된다. 아직 그 구체적인 이유를 알지 못하지만 위에서 설명한 하드웨어의 변형이 있거나 소프트웨어의 변형이 있을 것으로 짐작할 수 있다. 이 변화를 모조리 밝혀 보자는 것이 우리의 목표이다. 그 진전에 대해 여러분께 보여 드릴 것이다.
[ 강연 추천도서 & 자료 ]
「커넥톰, 뇌의 지도」(승현준, 김영사)
「벌레의 마음」(김천아, 서범석 등 공저, 바다출판사)
다큐‘과학자로 산다는 것–예쁜꼬마선충을 사랑한 사람들’ (유튜브 검색가능)
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