바이오인

초파리 신경계의 리버스엔지니어링

서론

“왜 초파리의 뇌를 연구하는가?” 조카부터 동료학자에게까지 수 없이 들었던, 익숙하나 쉽지 않은 질문이다. 보통 나의 대답은 이러하다. “2017년 노벨상은 초파리의 생체리듬을 연구한 과학자 세 분에게 주어졌습니다. 초파리의 생체리듬 유전자의 상동 (homolog) 유전자가 인간에게서도 발견되었 듯이, 대부분의 인간 뇌기능의 기본 형태도 초파리에서 확인할 수 있습니다. 초파리 생체리듬 연구가 불면증 치료의 실마리를 제공한 것처럼, 초파리의 마이크로 신경회로를 깊이 있게 연구함으로써 인간 뇌회로에 대한 중요한 가설을 세우고 뇌질환에 대한 실마리를 찾을 수 있을 것으로 기대합니다.” 상황에 따라서는 조금 다른 대답을 주기도 한다. “2.5 mm 길이의 초소형 로봇이 있는데, 이것이 보고, 듣고, 냄새 맡고, 이에 따라 스스로 행동을 결정해 걷고 날며, 먹이를 찾아 다니고 다른 로봇과 통신을 해낸다면 정말 대단하지 않을까요? 바로 초파리의 조그만 뇌가 그러한 일을 해냅니다. 저는 초파리의 뇌를 연구해서 그런 인공지능의 원리를 찾고 싶습니다.” 전기공학 박사과정 초기에 신경과학으로 연구분야를 정하며 가졌던 나의 비전, 초파리 신경계의 리버스엔지니어링이다.

위의 두 대답은 사뭇 달라 보이지만, 신경학적 근본 원리(neural principle)를 찾는다는 점에서 공통점이 있다. 차이점은 신경학적 원리를 어디에 적용하느냐 하는 지점이다. 리 버스엔지니어링 접근에서, 우리는 신경계가 근본적으로 외부 정보를 처리하여 이에 반응하는 ‘계산기’라는 점에 주목한다. 이 생물학적 계산기의 동작원리를 이해하여 새로운 패러다임의 계산 알고리즘을 만들 수 있을 것으로 기대한다. 나는 이러한 목적으로 뇌과학연구를 시작하였고, 박사과정 초기에는 신경회로의 모델링을 연구하였다. 하지만, 곧 초파리 실험에 매료되어 박사후 과정까지 후각과 시각계통의 신호처리를 연구하였다. 실험을 배우고 데이터를 얻는 과정에서 신경회로를 이해하는 과정이 얼마나 지난한 일인지 몸으로 하였다. 그래서인지 어느 시점부터는 신경과학의 공학적 적용을 얘기하기가 매우 조심스러워졌다. 박사후 과정 막바지에 랩미팅에서 그간 맘속에 담아 두었던 ‘리버스엔지니어링’을 조심스레 얘기했는데, 동료 포스닥이 걱정스러운 얼굴로 "정말 그걸 할거야? (Are you really going to do that?) "라는 코멘트를 주었다. 대체적으로 뇌질환치료의 관점에서 접근하는 기존의 신경과학 패러다임에 비해 리버스엔지니어링은 상대적으로 낯설고, 그래서 더 위험요소가 큰 연구 방향으로 인식된다. 하지만, 지난 15년여간 급속도로 진행된 초파리 신경과학의 발전 속도를 감안하면, 전체 신경계의 회로도와 동작원리가 하나하나 구체적으로 밝혀질 날이 멀지 않았고, 이가 가져올 공학적 의의가 상당할 것이라 생각된다. 이에 어떻게 초파리 신경 회로를 실리콘칩에서 시뮬레이션하고 공학적으로 응용할 지에 대한 논의를 시작할 좋은 시점이라 생각한다. 본 기고문에서는 먼저 리버스엔지니어링을 소개하고, 왜 초파리 신경계가 리버스엔지니어링의 좋은 대상인지를 논한다. 이어서 초파리 신경과학의 현재와 전망을 기술하고, 리버스엔지니어링을 향한 노력들을 간단히 소개한다.

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