팍시노스 박사의 뇌 네비게이터 연구 Q/A

현재 온스크린 자동화 아틀라스에는 대형 쥐(Rat) 또는 실험용 쥐(Mouse) 뇌의 3D 지도가 포함되어 있으며, 인간의 뇌도 포함될 수 있습니다. 이후에는 원숭이와 다른 가능성 있는 종들도 추가될 것입니다. 아틀라스는 모든 접근 각도로 회전이 가능해 원하는 각도에서 소프트웨어 설치가 필요 없는 절단 툴로 사용할 수 있습니다. 이는 곧 세 개의 기본 면이 아니더라도 어떤 각도에서나 뇌를 절단할 수 있음을 의미합니다.

이것은 대형 쥐(Rat) 및 실험용 쥐(Mouse) 정위 수술 시 아틀라스 평면으로 절단되지 않은 뇌 절편, 즉 측면 비대칭이거나 보다 빈번하게는 두개골 편평부(skull-flat) 위치에서 위에서 아래로 절단되지 않은 뇌 절편을 해석하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 뇌의 등 쪽(dorsal) 부분의 일부 절편은 뇌의 배쪽(ventral) 부분보다 주둥이 쪽(rostral) 또는 꼬리 쪽(caudal)이 더 많을 수 있습니다. 현미경에서 한 절편을 해석하려면 다섯 페이지에 달하는 아틀라스를 조사해야 하는데, 이는 꽤나 번거롭고 오류를 초래할 수 있습니다. 그러나 아틀라스 데이터로 절제하여 현미경으로 관찰한 것과 더 유사한 절단면을 생성할 수 있다면 매우 도움이 될 것입니다. 실험실에서 때때로 관상 절편이 두개골 편평부에 수직이 아닌 상태로 뇌를 절단하는 경우가 있는데, 이때 학생들이 “여기에 무엇이 있는 거죠?”라고 묻는다면 저는 해당 절편이 수평면과 관상면 사이의 어느 지점임을 발견하기도 합니다.

수평선을 잡았고 반굴속(fasiculus retroflexus)에 있으면서 내외 측 평면이 대칭인 경우에는 반드시 다른 쪽에 동일한 구조가 있으며 다른 곳에 있을 수 없는 반면에 고삐(habenula)로 올라가거나 시상하부로 내려가는 경우라면 알 수 없습니다. 동일한 수평 높이에서 지표를 찾아야 합니다. 종종 뇌에는 절대적으로 확신할 수 있는 지표가 없는 경우가 있기 때문입니다.

임상심리학에서는 이를 ‘보속증(perseveration)’라고 합니다. 프로젝트는 항상 진행 중입니다. ​그만둘 순 없죠! ​아직 절편을 제작하지는 않았지만, 마모셋의 뇌 아틀라스를 연구 중에 있습니다. ​마모셋은 작지만 대형 쥐(Rat)의 크기지만 영장류이기도 한데요. ​지금까지 마모셋 피질에 대해 연구한 바에 따르면 대뇌 피질 영역이 인간 뇌의 피질 영역과 동일한 것으로 나타났습니다.

저희는 인간 피질의 아틀라스를 제작하려고 하는데요. 이는 인간 뇌 전체에 대한 아틀라스가 될 수 있습니다. 1920년대 폰 에코 노모(Von Economo)의 아틀라스 이후 인간 피질에 대한 양질의 아틀라스는 지금까지 없었습니다. 브로드만(Brodmann)이 이어서 등장했지만, 폰 에코 노모의 아틀라스가 그보다는 더 낫죠. 하지만 폰 에코 노모의 아틀라스도 원숭이 지도만큼 정확하지는 않습니다. 피질을 묘사하는 데에는 원숭이 지도가 훨씬 더 효과적이니까요. 최근에 제작한 새로운 원숭이 아틀라스가 지금까지 제작된 영장류 아틀라스 중 정확도가 제일 높았으며 피질 윤곽 또한 최신 기술입니다.

1976년 케임브리지에서 안식년을 가졌는데 이때 저는 나이프 절단면을 해석하는 최선의 방법을 찾고자 수평면으로 뇌를 절단하는 작업을 했습니다. ​만약 관상면으로 절단했다면, 제가 무엇을 하고 있는지 보지 못한 채 절단선만 볼 수 있었을 것입니다. ​하지만 한 방향으로는 면역반응성 물질의 축적을 그리고 다른 방향으로는 고갈을 보기를 원했습니다. ​당시에는 수평 단면을 보여주는 실험용 쥐(Rat)에 대한 뇌 지도 아틀라스는 없었기에 저는 이를 만들어서 출판할 생각이었습니다. ​논문은 성공적이었지만 사람들이 정말로 원하는 것은 관상면이었습니다. ​저희가 발표한 아틀라스는 쾨닉(König)과 클리펠(Klippel)의 아틀라스보다 정위 및 윤곽 측면에서 더 뛰어났음에도 불구하고 궁극적으로 제작해야 하는 것은 관상면이라는 것을 깨달았죠.

맞습니다. 아세틸콜린에스테라아제 염색 기법을 익혔는데,
이를 이용해 뇌를 더 잘 볼 수 있다고 생각했기 때문이죠.

​많은 경우의 수를 따져보고 애매모호한 점이 없었던 터라
더 나은 아틀라스를 만들 수 있다는 생각이 들었습니다.

​물론 수평면이 더 쉬웠겠지만
다른 영역인 관상면에 그 해답이 있습니다.

​쉽지 않았지만, 총 3년에 걸쳐 관상 절편을 제작하였습니다.

​좌표계를 표시하기 위해 주둥이 쪽부터 꼬리 쪽까지 2 mm마다
15개의 표지 전극을 삽입하고 각 뇌에 3개의 수평 전극을 삽입한 다음
2개의 시상 전극을 함께 삽입했습니다.

당시에 동일한 수직 위치에 정수리점, 시옷점과 함께
두개골의 현재 표준 기준 위치인
두개골 편평부 위치를 정의하였는데요.

​봉합이 교차하는 위치가 반드시 정확해야 할 필요는 없었지만
가장 적합한 선이 중간선 봉합을 교차하는
위치를 찾는 방법을 사용했습니다.

그렇습니다. 영점으로 사용되기는 했지만, 두개골 편평부보다 문치 고정 장치(incisor bar)의 높이에 있었습니다. 저희는 아틀라스에 두개골 편평부 위치를 정의하고 구현해냈는데 이로 인해 재현성이 개선되기도 했습니다.

뇌를 꺼낼 때 뇌가 어떤 표면에 있었든지 간에 저희는 그 표면의 형태를 가정합니다. 모든 전극을 한 절편에 들어가도록 해서 뇌의 정렬된 절단면을 만들고자 했죠. 그런 다음에 뇌 내부와 함께 머리 전체를 냉동할 생각이었습니다. 냉동된 뇌에서 냉동된 뼈를 조심스럽게 빼냈음에도 뇌가 놓여 있던 모양을 추정할 수 있는 기회는 얻지 못했지만 그 시점부터 큰 진전을 이루었습니다.

네, 무엇보다도 정확한 좌표를 얻는 게 정말 문제였습니다. 아침 9시부터 시작해 뇌의 조짐이 좋으면 다음날 새벽 4시까지 이어지는 작업을 1년간 계속했습니다. 각각의 절단이 정확히 올바르게 이루어지도록 1년간 이러한 방식으로 작업했는데요. 그 무렵 저는 성공에 점점 가까워지고 있었습니다.

모두 세 개의 기본 면이 있지만, 쾨닉과 클리펠의 아틀라스는 뇌의 많은 부분과 정위 수술에서 가장 자주 사용되는 기준점인 정수리점이 누락되어 있기 때문에 과학자들에게 실제로 도움이 되지 않는다고 확신했습니다. 따라서 그 아틀라스는 정위 수술에 유용하지 않았습니다.

그렇죠, 뇌가 수축했을 뿐만 아니라, 그 지도는 150그램 암컷 대형 쥐(Rat)를 묘사했지만 대부분의 연구자들은 300그램 수컷을 사용합니다. 이들의 뇌에는 큰 차이가 있거든요. 가장 큰 어려움은 제 대학원생 시절이었습니다. 교수님으로부터 대형 쥐(Rat) 관련 정위 수술 방법에 대해 배워야 하는데 때마침 마취가 잘되지 않더군요. 이어서 “수업은 끝났지만, 마취가 되면 시상하부에 전극을 이식하세요. 그리고 아틀라스에서 좌표를 찾으세요”라고 교수님이 말씀하셨죠. 저는 동물이 깨어나기 전에 서둘러서 수술을 하려고 했지만, 아틀라스 좌표의 정위 영점은 뇌 정위 고정 장치의 영점이 아니라 귀 고정 장치(earbar) 평면 위로 4.9 mm라고 명시한 서론을 읽지 못했고 시상하부를 표적으로 할 때, 뇌를 4.9mm나 빗나갔습니다. 당시에 저는 심리학자라면 그보다 잘 할 수 있다고 생각했지만 전체적인 요점은 단순히 참조하는 것이 아니라, 의존할 수 있는 아틀라스가 필요하다는 것이었습니다. 그땐 항상 실험적으로 좌표를 도출해야 했으니까요.

한 가지 이야기를 덧붙이자면, 제가 새로운 아틀라스를 출판하려고 했을 때 엘스비어(Elsevier)는 자문 위원 중 한 명이 출판하지 말라고 언급했으며 “왜 아직도 또 다른 쥐(Rat)의 뇌 아틀라스가 필요하죠?” 라는 수사적 질문이 있었는데요. 쾨닉과 클리펠의 아틀라스가 교뇌, 숨뇌, 소뇌, 피질, 척수, 정수리점을 보여주지 않았으므로 또 다른 아틀라스가 필요하다는 점을 알고 있었습니다. 그 지도는 정위 수술에 유용하지 않았으며, 거기에는 그러한 정보가 없었기 때문이죠. 하지만 결국에는 엘스비어(Elsevier)가 소유한 Academic Press에서 출판하게 되었습니다.

제가 신경과학 분야에서 깨달은 것은, 하드웨어가 있다면 기다리지 말고 당장 프로젝트를 시작하라는 것입니다. 주말에도 쉬지 말고 진행하세요. 이것은 고집이 아니라 인내입니다. 과학은 영감보다 땀으로 이루어집니다. 저는 그동안 아무리 영리한 학생들도 도중에 실패하고 그렇지 않은 학생들이 오히려 성공하는 것을 보아왔는데요. 이들은 성공에 대한 결의가 컸기 때문에 비로소 성공할 수 있었던 것입니다. 제 말은 논문의 첫 번째 문장을 작성한 후 영감을 마냥 기다리지 말라는 것입니다. 일단 무엇이든 작성하고 계속 나아가세요.

특히 신경과학자들은 신경분절의 개념을 알아야 합니다. 정위 좌표 상의 쥐(Rat)의 뇌, 축약본 제6판 (Atlas of the Rat Brain in Stereotaxic Coordinates, Compact 6th Edition)에 실린 아틀라스를 보면 이 개념에 대한 개론을 볼 수 있을 것입니다. ​이러한 개념이 생소한 독자를 위해 이를 설명하는 15개 도표가 있습니다. ​명심하세요. 이 개념은 신경해부학 및 기능에 대한 이해에 큰 영향을 미칠 것입니다.