초파리가 알려주는 방향감각의 비밀

중앙일보

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방향감각이란 어떻게 생성되는 것일까. 달리는 차 속에서 눈을 감고 있어도 차가 좌회전을 하는지 우회전을 하는지 알 수 있다. 마치 머리 속에 나침반이 들어있어, 몸을 움직이더라도 나침반 바늘을 일정하게 한 곳을 가리키는 듯한 느낌이다. 지난 수십년 동안 이 같은 현상을 설명하기 위해 과학자들이 여러가지 이론들을 만들었지만, 인간이나 원숭이 혹은 쥐에서 이 이론을 검증하는 것은 불가능했다. 두뇌에는 너무나 많은 신경세포들이 복잡하게 얽혀있기 때문이다.

미국 버지니아 자넬리아 김성수 박사 연구팀 #0.5mm초파리 뇌 이용해 방향감각 이론 검증 #방향 바꿀 때마다 신경의 활동위치도 이동

미국 버지니아 에쉬번의 기초생물학연구소인 자넬리아는 4일(현지시간) 지름이 0.5mm에 불과한 초파리의 뇌를 이용해 포유류 머리 속 나침반의 기본 원리를 입증했다고 밝혔다. 연구진에 따르면, 초파리의 뇌에도 방향감각을 나타내는 신경들이 있는데, 이 신경들이 상호 연결된 구조와 활동하는 방식이 이론적으로 예측했던 것과 유사하다는 사실을 밝혀냈다. 초파리를 실험에 쓴 이유는 방향감각을 지배하는 세포가 50개 정도에 불과하고 한 곳에 몰려있어, 쥐나 돼지 등 일반적인 실험동물보다 단순하기 때문이다.

초파리의 머리와 등을 피라미드 모양의 받침대에 고정해 가상현실을 보게 했다. [사진 자넬리아 연구소]

주저자 중 한 명인 김성수(41) 박사는 실험을 위해 초파리의 머리와 등을 피라미드 모양의 받침대에 고정했다. 그리고 이 받침대를 가상현실 속에배치한 후, 고속 카메라로 초파리 날개 움직임을 실시간으로 측정했다. 마치 키보드 조작으로 게임 속 주인공의 움직임을 조종하는 것처럼 초파리가 양 날개의 각도 차이를 이용해 가상 현실 속에서 자신의 날아가는 방향을 스스로 바꾸도록 했다. 이와 함께 초파리 머리 표피에 작은 구멍을 뚫어 강력한 레이저 현미경을 이용하여 나침반 신경들의 활동을 관찰했다.

나침반 신경들은 초파리 뇌의 중심부에 위치한 타원체 안에 둥글게 배치돼 있다. 연구진은 나침반 신경의 활동이 이 타원체의 작은 영역에만 국한돼 나타나며, 초파리가 가상현실 안에서 방향을 바꿀 때마다 신경들의 활동 위치도 나침반의 바늘처럼 함께 이동하는 것을 발견했다. 다음 단계로 광유전학적 방법을 사용해 빛으로 활성화되는 분자들을 나침반 신경들에 주입한 후 레이저를 사용해 인위적으로 타원체 안의 임의의 영역의 나침반 신경들을 활성화 시켰다.

초파리의 머리 표피에 작은 무멍을 뚫어 레이저 현미경으로 나침반 신경들의 활동을 관찰했다. [사진 자넬리아 연구소]

김 박사는“이 실험에서 나침반 내부 한 영역의 신경 활동이 멀리 떨어진 다른 영역의 신경 활동을 억제한다는 것을 발견했다”며“타원체의 각 영역들은 항상 상호 억제 혹은 경쟁을 통해서 단 하나의 영역에서만 신경 활동이 살아남는다”고 말했다. 나침반에는 하나의 바늘만 있는데, 이런 유일무이한 방향감각이 상호 경쟁을 통해서 이루어진다는 것이다.

연구진은 이 실험을 통해서 초파리의 방향감각을 인위적으로 바꿀 경우 초파리도 예상치 못한 변화 때문에 날아가는 방향을 바꾸는 것도 관찰했다. 김 박사는 “인위적으로 생성된 방향감각이 자연적으로 생성된 방향 감각과 다름없이 활동하며 어둠 속에서도 계속 유지된다는 사실을 발견했다”며 “이는 인접한 영역은 상호 억제하지 않고 반대로 서로 자극하며 현재 활동을 유지시키기 때문이라는 것을 보여준다”고 말했다. 그는 “초파리 뇌를 이용해 이해하게 된 뇌의 구동 방식이 더 큰 포유류 뇌의 활동, 더 나아가 인간의 두뇌 활동을 이해하는 데에 도움이 될 것으로 기대한다”고 덧붙였다. 이번 연구결과는 미국의 과학저널 사이언스 5월4일자에 게재됐다.
최준호 기자 joonho@joongang.co.kr