맞춤형 약물 치료를 위한 시냅스 매핑, 획기적인 돌파구 달성

인간 뇌에는 최대 860억 개의 뉴런이 있습니다. 이들은 수조 개의 시냅스 연결을 형성하며, 각 뉴런이 다른 뉴런과 연결되어 복잡한 네트워크를 만듭니다.

시냅스 신호 전달을 통해 뉴런은 시냅스에서 서로 소통합니다. 시냅스는 뉴런이 다른 뉴런을 흥분시키거나 억제할 수 있는 접합부입니다.

한편, 시냅스 연결은 뉴런 간의 접합부로, 전기 및 화학 신호를 사용해 서로 소통합니다. 시냅스 연결을 매핑하는 과정은 뉴런이 어떻게 서로 연결되어 있는지와 그 연결의 강도가 얼마나 되는지를 파악하는 작업입니다. 이러한 연결 구조가 뇌 기능을 결정한다고 여겨지기 때문에 이 과정은 매우 중요합니다.

하지만 시냅스 연결의 매핑 및 특성화는 아직 해결되지 않은 과제입니다. 현재는 수백 개의 시냅스 연결만을 매핑할 수 있습니다. 그러나 하버드 연구진의 최신 연구는 이를 정확하게 70,000개 이상으로 확대했으며, 이는 신경과학, 특히 뉴런 기록 분야에서 중요한 돌파구가 되었습니다.

이러한 규모의 매핑 및 카탈로그화는 약 2,000개의 쥐 뉴런을 대상으로, 작은 그러나 의미 있는 시냅스 신호를 동시에 감지할 수 있는 마이크로홀 전극이 장착된 실리콘 칩의 도움으로 이루어졌습니다.

이러한 진보는 시냅스 연결의 상세한 지도를 만들고, 뉴런이 어떻게 연결되고 소통하는지를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

‘마이크로홀 전극 배열을 이용한 병렬 세포내 기록을 통한 수천 개 뉴런의 시냅스 연결 매핑’이라는 연구가 이번 달 네이처 바이오메디컬 엔지니어링에 게시되었습니다¹게 발표되었습니다.

연구에 따르면, 대규모에서 뉴런 세포내 기록을 병렬화하는 것은 큰 도전 과제로, 이는 뉴런 네트워크 전반에 걸친 시냅스 신호를 측정하게 해 주어 시냅스 연결의 매핑 및 특성화를 가능하게 합니다.

첨단 칩 혁신을 통한 뉴런 기록 확장

시냅스 구조를 시각화하기 위해 전자현미경(EM)이 매우 효과적인 것으로 밝혀졌지만, 뉴런 연결의 강도를 측정할 수는 없습니다. 이는 기술이 뉴런 네트워크의 기능을 설명하는 능력을 제한합니다.

이때 패치-클램프 기록이 등장합니다. 이는 개별 뉴런을 관통하여 약한 신호까지도 높은 감도로 포착할 수 있어 시냅스 활동을 연구하는 보다 정밀한 기술을 제공합니다.

과학자 에르빈 네어와 베르트 삭만은 1991년 생리학·의학 노벨상을 패치-클램프 기술에 대해 받았습니다. 실험 측정 장치는 근육 수축 및 신경 충동 전달과 같은 살아있는 세포의 중요한 작업을 수행하는 이온 채널의 존재와 기능을 증명했습니다. 이 기술은 또한 채널의 주요 특성을 정밀하게 정의할 수 있게 했습니다.

이 방법이 연구자들이 연결 강도를 식별하고 측정하는 데 도움이 될 수 있지만, 과학자들은 지금까지 동시에 몇 개 이상의 뉴런에서 세포내 신호를 기록하는 데 어려움을 겪어왔습니다.

하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용 과학 대학(SEAS)의 공동 선임 저자이자 공학·응용 과학 교수인 돈히 함(Donhee Ham)이 이끌던 연구팀은 이 부서와 하버드 화학 및 화학생물학 부서의 연구원들과 함께 첨단 칩을 구축했습니다.

보다 정확히 말하면, 팀은 칩 위에 4,096개의 마이크로홀 전극 배열을 구축했습니다. 이 장치는 약 2,000마리 쥐 뉴런에 대한 대규모 병렬 세포내 기록을 수행했습니다.

이를 통해 연구자들은 풍부한 시냅스 신호 데이터를 확보했으며, 그 중에서 70,000개 이상의 시냅스 연결을 추출했습니다.

이 작업은 실제로 팀이 몇 년 전 개발한 돌파구 장치를 기반으로 구축되었습니다. 당시 4,096개의 수직 나노니들 전극 배열이 동일한 집적 회로 설계의 실리콘 칩에서 튀어나와 있었습니다.

이 전자 칩은 표면에 수직으로 서 있는 고밀도 백금 분말 코팅(신호 전달 능력 향상을 위해) 나노미터 규모 전극 배열을 특징으로 했습니다.

그 장치에서는 뉴런이 니들 주위를 감싸 세포내 기록을 가능하게 했으며, 다수의 전극을 통해 병렬화되었습니다. 당시 팀은 1,700마리 이상의 쥐 뉴런을 기록하고 300개 이상의 시냅스 연결을 매핑할 수 있었습니다.

달성된 수치는 기록적인 것이었지만, 팀은 이를 더욱 개선할 수 있다고 판단했으며, 따라서 최신 연구가 진행되었습니다.

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연결성 매핑을 위한 세포내 기록 혁신

삼성전자의 삼성 첨단 기술 연구소의 지원을 받아, 팀은 CMOS(상보성 금속산화물 반도체) 칩 위에 백금/백금-블랙 마이크로홀 전극 배열을 설계·제작했습니다.

이 배열은 전극을 통해 작은 전류를 주입하여 세포를 부드럽게 열고, 세포내 기록을 병렬화하도록 작동되었습니다.

연구 공동 책임 저자이자 현재 한국 포항공과대학교 교수인 전우빈 박사(전 포스트닥 연구원)에 따르면, 실리콘 칩에 통합된 전자 회로는 마이크로홀 전극만큼이나 중요한 역할을 하며, 정교한 방식으로 부드러운 전류를 제공해 세포내 접근을 가능하게 하고 동시에 세포내 신호를 기록합니다.

이와 동시에 사용된 마이크로홀 설계는 패치-클램프 전극과 유사합니다. 이러한 마이크로홀 전극은 두 가지 주요 장점을 가지고 있습니다:

1. 제조가 훨씬 용이합니다
2. 이전 팀이 사용한 수직 나노니들 전극보다 뉴런 내부와의 결합이 더 우수합니다

“이 접근성은 우리 작업의 또 다른 중요한 특징입니다.”

– 준왕, 박사후 연구원 및 공동 책임 저자  

이 새로운 설계로 팀은 뛰어난 결과를 달성했습니다. 평균적으로 마이크로홀 전극의 90%(4,096개 중 3,600개 이상)가 세포내 통합되었으며, 이를 통해 팀은 70,000개의 가능한 시냅스 연결을 추출했는데, 이는 나노니들 전극 배열로는 300개에 불과했던 것보다 훨씬 많습니다.

팀은 정량적 결과뿐만 아니라 기록 데이터의 품질도 향상시켜, 시냅스 연결을 강도와 특성에 따라 분류할 수 있게 되었습니다.

시냅스 연결은 전기 시냅스 연결과 강하고 활발한 흥분성, 약하고 덜 활발한 흥분성, 억제성 화학 시냅스 연결로 분류되었으며, 전체 오류율은 약 5%로 추정됩니다.

연구에 따르면, 이렇게 광범위한 수준의 시냅스 연결 매핑과 시냅스 연결을 식별하는 능력은 대규모 뉴런 네트워크의 기능적 연결 매핑을 향한 큰 진전입니다.

이전 버전에서 연구진은 고성능 칩을 사용해 약물이 시냅스 연결에 미치는 영향을 계산했습니다. 당시 팀은 중독, 자폐증, 알츠하이머병, 파킨슨병, 조현병과 같은 신경질환에 대한 약물 테스트를 위한 웨이퍼 규모 시스템을 구축하고 있다고 밝혔습니다.

생물학적 시냅스 네트워크 매핑은 차세대 인공 신경망 및 뉴로모픽 프로세서를 구축하기 위한 기계 지능의 새로운 전략을 제공할 수 있습니다.

이제 팀은 병렬 세포내 기록을 통해 얻은 방대한 데이터에서 시냅스 연결에 대한 통찰을 얻었으며, “실시간 뇌에 적용할 수 있는 새로운 설계”를 향해 작업하고 있습니다.

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뇌 매핑 및 신경기술의 진보

이러한 연구는 뇌의 복잡한 시냅스 연결에 대한 이해를 심화시키는 데 필수적이며, 뉴런 상호작용의 복잡성을 밝히는 동시에 뇌 매핑 분야의 고급 연구를 위한 기반을 제공하는 등 뇌 연구의 미래를 형성하는 흥미로운 발전 중 하나입니다.

결국 뇌는 흥미롭지만 복잡한 구조이며, 연구자와 기관 사이에서 관심이 점점 높아지는 분야입니다. 흥미롭게도, 뇌를 더 많이 연구하고 알수록 그 복잡성은 더욱 커집니다. 하버드 대학의 분자·세포생물학 교수인 제프 라이트만이 언급했듯이, 단순히 자연을 기술하는 것만으로도 다음과 같은 사실이 드러났습니다:

“[뇌가] 우리가 생각했던 것보다 더 복잡하다는 점.”

지난 10년 넘게 라이트만은 인간 뇌의 연결 지도를 만들기 위해 대뇌 피질의 특정(1 입방밀리미터) 영역에 접근해 왔습니다. 지난해 말, 하버드 매거진이 그들의 분석을 보도했습니다며, 신경을 지지하고 보호하는 교세포가 뉴런을 2대 1 비율로 지배한다는 사실을 발견했습니다. 그러나 이에 대한 설명은 아직 찾아지지 않았습니다.

그와 동료들은 각 세포마다 많은 시냅스를 가진 몇몇 매우 강한 연결을 관찰했으며, 이는 뇌를 통해 정보가 매우 빠르게 흐를 수 있게 해 주며, 그들에 따르면 “아마도… 기억이란 그런 것일지도 모른다.”

이를 위해 그들은 여성의 측두엽 조직을 사용해 5,000개 이상의 절편으로 나누었으며, 각 절편은 고해상도 다중빔 전자현미경으로 스캔되었습니다.

구글 연구원들은 새로운 신경망 방법을 구축해 각 절편의 항목을 식별하고 이를 결합해 3D 공간을 만들었습니다. 그들이 촬영한 시료는 57,000개의 세포, 230밀리미터의 혈관, 1억 5천만 개의 시냅스를 포함했습니다.

라이트만은 다음으로 쥐의 전체 뇌를 매핑하는 것을 목표로 하고 있으며, 인간 뇌에 대해서는 아직 불가능합니다. 한편, 프린스턴 대학의 과학자 팀은 성체 초파리의 뇌를 매핑했습니다。

이전에는 연구자들이 3,000개의 뉴런을 가진 유충 초파리의 뇌를 매핑했지만, 성체 초파리는 거의 140,000개의 뉴런과 수천만 개의 시냅스로 연결됩니다. 이 지도는 초파리 뇌의 2,100만 장의 이미지와 AI 모델을 사용해 구축되었습니다. 이 청사진을 통해 연구자들은 어떤 뉴런이 어떤 행동을 담당하는지에 대한 답을 제공하고자 합니다.

미국 국립보건원(NIH) BRAIN 이니셔티브의 존 응아이(John Ngai) 박사는 “뇌는 어떤 인간이 만든 컴퓨터보다도 더 강력합니다,” 라고 말하며, “하지만 대부분 우리는 그 근본적인 논리를 아직 이해하지 못하고 있습니다.” 라고 언급했습니다.

그리고 우리가 “뉴런이 서로 어떻게 연결되는지에 대한 상세한 이해가 없다면, 건강한 뇌에서 올바르게 작동하는 것과 질병에서 잘못되는 것에 대한 기본적인 이해도 가질 수 없습니다.” 라고 강조했습니다.

이것이 뇌를 매핑하려는 관심이 커지는 이유입니다. 맥길 대학교 보건센터 연구소의 과학자들은 이번 달에 “옵토매핑”이라는 방법을 구현하여 뉴런 연구를 크게 가속화했습니다.

팀은 이미 30,000개 이상의 후보 연결을 테스트하고, 마우스 뇌 시각 피질에서 약 1,800개의 시냅스를 특성화했습니다.

옵토매핑을 사용해 발견된 주요 성과로는 다양한 억제성 뉴런 유형에 대한 독특한 연결 패턴이 포함되며, 이는 뇌 피질 층에서 정보 흐름 과정에 대한 기존 이해에 도전합니다. 또한 일부 연결은 신호를 증폭하고, 다른 연결은 신호를 억제하는 등 뇌의 통신 패턴이 섬세하게 균형을 이루고 있음을 보여주었습니다.

또한, 다양한 뉴런 유형이 활성화되는 방식에 불균형이 있음을 관찰했으며, 이는 자폐증 및 간질과 같은 상태에 도움이 될 수 있습니다. 변화를 정확히 파악함으로써 옵토매핑은 보다 목표 지향적이고 효과적인 치료법을 제시할 수 있습니다.

흥미롭게도, 이번 달에 기술 대기업 메타 플랫폼스 (META )는 사람들의 생각만으로 텍스트를 생성할 수 있는 장치를 개발했다고 발표했습니다. 이를 위해 뇌 스캐너와 Brain2Qwerty라는 AI 모델을 사용해 수술 없이 뇌에서 언어를 해독했습니다.

하지만 여러 제약으로 인해 제품이 상용화될 가능성은 매우 낮습니다. 예를 들어, 자기 신호를 감지하는 뇌자기뇌파계(MEG) 스캐너는 매우 크고 무게가 약 0.5톤에 달하며, 비용도 200만 달러에 이릅니다. 또한 지구의 자기장을 차단하기 위해 차폐된 방에서만 작동합니다.

그러나 이는 인간 뇌와 의사소통에 대한 이해를 확실히 진전시킬 수 있습니다.

“인간 뇌의 정확한 구조나 원리를 이해하려는 시도는 기계 지능 개발에 정보를 제공하는 방법이 될 수 있습니다. 그것이 바로 길입니다.”

– 메타의 뇌·AI 팀 리더, 장-레미 킹(Jean‑Rémi King)이 Tech Review에 말했습니다.

이 연구 결과는 시스템이 ‘숙련된’ 타이피스트가 누를 키를 최대 80%의 정확도로 감지할 수 있음을 보여줍니다. 완벽하지는 않지만, 연구진은 뇌 신호만으로도 완전한 문장을 구성할 만큼 충분히 정확하다고 말했습니다.

주로 소셜 미디어와 AI에 종사하는 시가총액 1.76조 달러 기업에서 나온 이러한 발전은 다소 놀라울 수 있지만, 메타는 이미 수년간 신경기술 연구에 참여해 왔습니다.

또한 순수 신경기술에만 집중하는 기업과 달리 메타는 수익성이 높은 기업이므로 자원에 대한 걱정 없이 관련 연구에 투자할 수 있습니다.

참고로, 회사는 최근 4분기 실적을 보고했으며, 매출이 483억 9천만 달러로 전년 대비 21% 증가했습니다. 평균 33억 5천만 명의 일일 활성 사용자(DAU)가 제품을 사용하고 있습니다. 이 기간 동안 메타는 250억 2천만 달러의 비용 및 지출과 148억 4천만 달러의 자본 지출을 기록했으며, 자유 현금 흐름은 131억 5천만 달러, 현금 및 현금성 자산과 유가증권은 778억 1천만 달러였습니다. 또한 올해 AI에 약 600억~650억 달러를 투자할 것이라고 발표했습니다.

이 분야를 선도하는 기업들

이제 이 분야에서 눈에 띄는 진전을 이루고 있는 주요 상장 기업들을 살펴보겠습니다.

1. Neuronetics, Inc.

이 의료 기술 회사는 신경 건강 장애를 겪는 환자를 위한 제품을 개발합니다. 그들의 NeuroStar Advanced Therapy System은 비침습적 치료법으로, 경두개 자기 자극(TMS)을 사용해 기분과 관련된 뇌 영역을 자극합니다. 이는 성인 주요 우울 장애(MDD) 환자 치료에 사용됩니다.

시가총액 2억 6,700만 달러인 STIM 주식은 현재 4.80달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 무려 198.14% 상승했습니다. EPS(TTM)는 -1.22이며, P/E(TTM)는 -3.94입니다.

2024년 3분기에는 Neuronetics가 매출 1,850만 달러, 순손실 1,330만 달러를 보고했으며, 현금 보유액은 2023년 말 5,970만 달러에서 2,090만 달러로 감소했습니다. 이 기간 동안 회사는 미국에서 NeuroStar 시스템 48대를 출하했으며, 매출은 410만 달러에 도달했고 치료 세션은 2% 증가했습니다.

Neuronetics는 또한 Greenbrook TMS를 인수했으며, 이는 CEO 케이스 J. 설리번에 따르면 수익성 달성 경로를 가속화할 것으로 기대됩니다.

예비 4분기 실적에 따르면, Neuronetics의 4분기 매출은 2,210만 달러, 2024년 전체 매출은 7,450만 달러로 추정됩니다. 그러나 회사는 올해 총 매출을 1억 4,500만 달러에서 1억 5,500만 달러 사이로, 3분기에 긍정적인 현금 흐름을 기대한다는 것을 발표했습니다.

#2. NeuroOne Medical Technologies Corporation   

이 의료 기술 회사는 뇌 자극, EEG 기록 및 절제 솔루션을 최소 침습적으로 개발하며, 간질, 근긴장 이상, 떨림, 파킨슨병 및 만성 통증과 같은 신경 질환을 겪는 환자를 대상으로 합니다.

그 제품에는 뇌 조직의 기록, 모니터링 및 자극을 위한 Evo 코르티컬 전극 기술이 포함됩니다.

또한 기능성 신경외과 시술을 위해 신경 조직에 ‘고주파 병변’을 생성하는 OneRF 절제 시스템이 있습니다. NeuroOne은 OneRF Ablation System에 대해 FDA 승인을 획득했으며, 전기 활동 보고와 신경 조직 절제 모두에 대해 승인받은 최초이자 유일한 제품이 되었습니다.

시가총액 3,456만 달러인 NMTC 주식은 현재 1.12달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 35.61% 상승했습니다. EPS(TTM)는 -0.27이며, P/E(TTM)는 -4.21입니다.

2025 회계연도 1분기에 회사는 제품 매출 330만 달러와 제품 총이익 190만 달러를 보고했으며, 영업비용은 감소했습니다. 2024년 12월 31일 기준 현금 및 현금성 자산은 110만 달러로, 2024년 9월 30일 기준 150만 달러보다 낮았습니다.

결론

뇌 관련 연구의 돌파구는 인간의 진보에 필수적입니다. 뇌는 생각, 기억, 감정부터 움직임, 시각, 청각에 이르기까지 거의 모든 기능을 제어하는 가장 중요한 기관이기 때문입니다. 따라서 뇌에 대한 깊은 이해는 필수이며, 대규모 시냅스 연결 매핑에서 진전을 이룬 최신 연구는 뉴런이 어떻게 상호 작용하고 소통하는지를 해독하는 데 중요한 단계가 됩니다.

이러한 진전이 계속 정교해지면 뇌 기능에 대한 더 깊은 통찰을 제공하고, 복잡한 질환에 대한 새로운 치료 전략을 지원하며, 신경학 연구를 혁신할 수 있습니다.

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연구 참고:

1. Wang, J., Jung, W. B., Gertner, R. S., et al. (2025). 마이크로홀 전극 배열을 이용한 병렬 세포내 기록을 통한 수천 개 뉴런의 시냅스 연결 매핑. Nature Biomedical Engineering. https://doi.org/10.1038/s41551-025-01352-5