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| ▲ 이미지 출처: Pixabay/Othebo |
노벨상을 받을 수 있는 신경 기술에 돈을 투자해야 한다면 그것은 광유전학이다.
이 기술은 다른 주파수의 빛을 사용하여 뇌를 제어한다. 그것은 뇌에서 뉴런이 자연적으로 활성화 (또는 침묵)되는 방식의 메커니즘을 가로채는 기본 신경 생물학과 공학의 뛰어난 정신적 융합이다.
광유전학 덕분에 우리는 단 10년 만에 생쥐의 기억을 인위적으로 받아들이고, 통증을 유발하는 뇌 신호를 해독하고, 중독에 대한 신경 코드를 풀고, 우울증을 되돌리고, 눈이 먼 생쥐의 기초 시력을 회복하고, 끔찍한 기억을 다음으로 덮어쓸 수 있었다. 광유전학은 뇌를 위한 범용 프로그래밍 언어와 유사하다.
하지만 두 가지 심각한 단점이 있다. 유전자 치료가 필요하고 광섬유를 뇌에 이식하려면 뇌 수술이 필요하다.
이번 주에는 광유전학의 원래 마음이 코드를 자르는 업데이트로 돌아왔다. 스탠포드대학교의 Karl Deisseroth 박사 팀은 미네소타대학교와 협력하여 수술없이 행동을 제어하는 광유전학의 업그레이드 버전을 공개했다. 오히려 이 시스템은 생쥐의 두개골을 통해 빛을 비추고 뇌 깊숙이 침투한다. 광 펄스를 사용하여 팀은 생쥐가 발작을 일으킬 가능성을 변경하거나 뇌를 재 프로그래밍하여 사회적 기업을 선호했다.
명확하게 말하면, 우리는 손전등으로 뇌를 제어하는 과학자와는 거리가 멀다. 광 유전학의 핵심은 유전공학이다. 그렇지 않으면 뉴런(당신 포함)이 자연적으로 빛에 반응하지 않는다.
그러나 미래를 내다보면 이 연구는 강력한 연구 기술을 우울증이나 간질과 같은 신경학적 문제를 가진 사람들에게 잠재적으로 도움이 될 수 있는 임상 치료법으로 전환하기위한 확실한 발걸음이다. 우리는 아직 그 비전과는 거리가 멀지만 연구에 따르면 잠재적으로 도달할 수 있는 공상과학 소설이라고 한다.
광학, 뭐라고?
광유전학을 이해하려면 뇌가 작동하는 방식을 좀 더 깊이 파헤쳐야 한다.
본질적으로 뉴런은 추가 화학 물질로 전기로 작동한다. 뇌 세포는 내부 환경과 외부를 분리하는 문 (이온 채널이라고 함)이 있는 살아있는 저장 용기와 같다. 뉴런이 입력을 받고 그 입력이 충분히 강하면 세포는 문을 연다. 이 과정은 전류를 생성하고, 이는 일종의 생물학적 고속도로인 뉴런의 출력 분기를 질주한다. 터미널에서 전기 데이터는 수십 개의 화학적 "선"으로 변환되어 뉴런 사이의 간격을 가로 질러 떠다니며 이웃에게 메시지를 전달한다. 이것이 네트워크의 뉴런이 통신하는 방식이며, 네트워크가 차례로 기억, 감정 및 행동을 생성하는 방식이다.
광유전학 기술은 이 과정을 가로 채고 있다.
과학자들은 바이러스를 사용하여 조류에서 추출한 특별한 단백질군인 옵신(Opsin, 감광성(感光性) 망막 색소 rhodopsin을 합성하는 단백질) 유전자를 살아있는 뉴런에 추가할 수 있다. 옵신은 특정 주파수의 광 펄스 하에서 열리는 특수 "문"으로, 포유류의 뇌 세포는 할 수 없다. 생쥐 뉴런 (또는 우리의 뉴런)에 옵신을 추가하면 본질적으로 빛에 반응할 수 있는 초능력을 얻게 된다. 고전적인 광유전학에서 과학자들은 광 자극을 전달하기 위해 옵신 점이 있는 뉴런 근처에 광섬유를 이식한다. 그런 다음 컴퓨터로 프로그래밍 된 광 펄스는 뇌의 특정 영역에 있는 이 새로 빛에 민감한 뉴런을 표적으로 삼아 줄에 있는 인형처럼 활동을 제어할 수 있다.
더 시원해진다. 과학자들은 유전공학을 사용하여 어떤 뉴런 집단이 추가 힘을 얻는지 미세 조정할 수도 있다. 이것은 빛을 사용하여 신경 회로를 가지고 놀 수 있게 하고 나머지 뇌는 윙윙 거리는 것을 가능하게 한다.
이 선택성은 부분적으로 광유전학이 강력한 이유이다. 하지만 모든 것이 조랑말과 무지개가 아니다. 상상할 수 있듯이 마우스는 뇌에서 튀어나온 광섬유에 묶여 있는 것을 특히 좋아하지 않는다. 인간도 마찬가지이므로 임상용 도구를 채택하는 데 문제가 있다. 도입 이후 차세대 광유전학의 주요 목표는 코드를 자르는 것이었다.
수술, 안녕
새로운 연구에서 Deisseroth 팀은 주요 목표로 시작했다. 수술용 임플란트의 필요성을 완전히 없애자. 즉시 이것은 어려운 문제를 제시한다. 이는 뇌 내부의 생체 공학 뉴런이 빛에 반응하는 민감하고 강력한 옵신 "문"을 가져야 함을 의미한다. 심지어 빛 펄스가 두개골과 뇌 조직에 의해 확산되는 경우에도 마찬가지이다. 한 사람이 여러 벽과 도시 소음을 통해 10블록 떨어진 곳에서 메시지를 외치면서도 이를 해독하고 전달할 수 있어야하는 전화 게임과 같다.
운 좋게도 팀에는 이미 후보가 있었는데 하나는 ChRmine이다. 작년에 개발된 ChRmine은 빛에 대한 놀랍도록 빠른 반응 시간과 뉴런에서 큰 전류를 생성할 수 있는 능력에서 돋보인다. 이전 제품에 비해 약 100배 향상되었다. 매우 민감하기 때문에 원하는 파장의 빛의 불꽃조차도 '문'을 열고 신경 활동을 제어할 수 있다. 또한 ChRmine은 열리면 빠르게 종료된다. 즉, 뉴런을 과도하게 자극하지 않고 자연스러운 활성화 궤적을 따른다.
첫 번째 테스트로, 팀은 바이러스를 사용하여 뇌 깊숙한 곳에 ChRmine을 추가했다. 이는 우리가 보상과 중독을 처리하는 방법에 중요하며 우울증과도 관련이 있는 복부 피부 영역 (VTA)이다. 현재 임상 환경에서 해당 부위에 도달하는 유일한 방법은 이식된 전극을 사용하는 것이다. 그러나 ChRmine을 사용하여 팀은 생쥐의 두피 바로 바깥에 위치한 광원이 해당 지역의 신경 활동을 안정적으로 촉발할 수 있다는 것을 발견했다.
빛으로 뉴런을 무작위로 활성화하는 것은 인상적이지만 그다지 유용하지 않을 수 있다. 다음 테스트는 뇌 외부의 빛을 사용하여 마우스의 행동을 제어할 수 있는지 여부이다. 여기에서 팀은 ChRmine을 생쥐의 도파민 뉴런에 추가했으며, 이 경우에는 즐거움을 제공한다. 동료들에 비해 빛이 강화된 생쥐는 레버를 눌러 두피에 빛을 전달하는 데 훨씬 더 열심이었다. 즉, 생쥐가 즐거움을 느끼고 일할 수 있도록 빛이 뉴런을 충분히 자극하고 있음을 의미한다.
더 복잡한 테스트로, 연구팀은 빛을 사용하여 뇌간이라고 하는 뇌의 기저에 있는 세로토닌 성 세포라고하는 뇌 세포 집단을 제어했다. 이러한 세포는 사회적 행동, 즉 개인이 사회적 상호작용을 얼마나 즐기는지에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 약간 혼란스러워진다. ChRmine이 강화된 세포, 특히 뇌간에 있는 생쥐는 ChRmine이 없는 형제보다 실험실의 '사회 영역'에서 시간을 보내는 것을 선호했다. 다시 말해, 개방형 뇌 수술없이 단 몇 개의 광선만으로 팀은 사회적으로 양면적인 마우스를 우정을 갈망하는 사회적 나비로 바꿀 수 있었다.
멀리서 두뇌 제어
"소름 끼치다"고 생각한다면 혼자가 아니다. 이 연구에 따르면 눈 소켓이나 정맥을 통해 ChRmine 유전자를 운반하는 바이러스를 주사하면 빛만으로도 사교성만큼 성격에 필수적인 것을 제어할 수 있다.
내 요점을 강조하자면, 이것은 현재 생쥐에서만 가능하다. 우리의 뇌는 훨씬 더 크므로 두개골을 통해 빛이 산란되고 충분히 깊숙이 침투하는 것이 훨씬 더 복잡해 진다. 다시 말하지만, 우리 뇌 세포는 일반적으로 빛에 반응하지 않는다. 잠재적으로 효과가 있을 수 있으려면 자체적으로 많은 문제가 있는 유전자 치료에 대해 자원해야 한다. 그러니 그 주석 호일 모자를 벗으라. 과학자들은 아직 내향적인 사람 (나와 같은)을 레이저로 외향적인 사람으로 바꿀 수 없다.
하지만 뇌의 내부 작용을 밝혀내는 것은 미래로의 놀라운 도약이다. 지금까지 광 유전학을 위한 광학 코드를 절단하려는 노력은 무릎 보호 기능이 뇌 깊숙이 들어가서 피질과 같은 표면 뇌 영역으로만 제어를 제한했다. 다른 방법은 민감한 뇌 조직을 과열시켜 손상을 입힌다. 그러나 다른 것들은 명령(활성화!)과 뉴런의 반응 사이에 상당한 지연이 있는 1990년대 DOS 시스템으로 작동한다.
이 두뇌 제어 OS는 아직 완벽하지는 않지만 이러한 문제를 해결한다. Neuralink 및 다른 신경 임플란트와 달리 이 연구는 수술이나 임플란트 없이도 뇌를 제어할 수 있음을 시사한다. 빛만 있으면 된다.
