Google Research, HHMI Janelia 등과 수컷 초파리(Drosophila melanogaster) 뇌의 완전 커넥톰 공개

이번 지도는 HHMI Janelia Research Campus가 주도하고 MRC Laboratory of Molecular Biology, University of Cambridge 등과 약 10년에 걸쳐 진행한 공동 연구의 성과이다. 뇌뿐 아니라 척수에 해당하는 복부 신경삭도 포함하고 있어, 뇌가 신체를 어떻게 제어하는지로 대상이 넓어졌다. 지도는 HHMI Janelia의 전문가팀이 주석 작업과 교정(프루프리딩)을 수행했으며, 오픈소스 시각화 도구 Neuroglancer에서 이용할 수 있다.

제작에는 뇌를 수백만 장의 얇은 절편으로 나눠 촬영하고, AI로 이미지를 이어 붙이는 방법이 쓰였다. 전자현미경의 평면 이미지로부터 3D 형태를 재구성하는 기술에는 합성곱 신경망을 사용하는 flood-filling networks가 포함된다. 2019년에는 암컷 뇌의 자동 재구성 결과를 공개했고, 2020년에는 뉴런 25,000개와 결합 2,100만 개를 사람이 검증한 반쪽 뇌 지도를 공개했다. 최근에는 합성 뉴런을 학습 데이터에 추가해 재구성 시스템 PATHFINDER의 속도와 정확도를 높였다고 한다. 사람의 오류 수정 작업을 줄이면 더 대규모의 뇌 지도를 현실적인 예산과 기간 안에 만들 수 있다고 설명하고 있다.

수컷과 암컷의 지도가 모두 갖춰지면서, 뉴런이 서로 다른 부위와 어떻게 연결되는지 비교해 구애와 공격 행동의 생물학적 메커니즘을 조사할 수 있게 됐다. 양성에서 비슷한 부위에서는 개체 간 변이를 파악하는 데도 활용할 수 있다. 시각계, 미각, 사회 행동을 다루는 관련 논문 3편도 함께 공개됐다.

향후 전망으로는 척추동물로의 확장이 제시되어 있다. Columbia University가 주도해 Nature에 게재된 연구에서는 상어(가오리 등 연골어류)의 후뇌 일부 지도 작성에 협력했으며, 커넥톰을 다른 정보와 결합해 학습과 가소성을 조사했다. 제브라피시 유생에 대해서는 Harvard와의 논문이 곧 공개될 예정이며, 신경 구조와 분자 유형을 전체 뇌에 걸쳐 담은 척추동물 최초의 데이터셋이라고 밝혔다. 같은 개체에서 신경 활동과 구조를 결합한 예비 버전 데이터셋도 공개했다.