인간 뇌에는 1,000억 개에 달하는 신경세포가 존재하고 있으며 이런 뉴런이 접속해 만들어내는 회로를 분석하는 건 복잡한 퍼즐과도 같다. 이런 뇌신경과학 연구를 하는 캘리포니아공대 등 연구팀은 동물 행동과 신경계 문제를 조사하기 위해 직경 1cm짜리 해파리에 주목하고 있다고 한다.
캘리포니아대학, 노스웨스턴대학, 프랑스 소르본대학 등 공동 연구팀은 새로 발표한 논문으로 성장해도 지름 1cm에 불과한 해파리 종(Clytia hemisphaerica) 뉴런을 조사해 유전적 툴킷을 발표했다. 이 툴킷을 이용해 뉴런이 활성화되면 빛나는 듯 유전자 변형된 해파리를 만들어 투명한 몸을 통해 전체 신경 활동을 관찰할 수 있게 된다는 것이다.
보통 실험실에서 사용되는 모델 생물은 지렁이나 파리, 생선, 쥐 등이며 해파리는 이들 동물보다 유전적으로 인간과 멀기 때문에 모델 생물로는 이상적이라고 할 수 없다. 하지만 연구팀은 해파리는 인간과 멀리 떨어져 있기 때문에 비교할 포인트로 중요하다고 말한다. 해파리는 모든 신경계에 공통되는 신경과학 원리가 있는지, 첫 신경계는 어떤 것인지 의문을 묻는다고 지적하고 있다.
또 해파리는 작고 투명하다는 점 역시 신경과학 연구를 실시하는 플랫폼으로 유용하다고 생각되고 있다고 한다. 이유는 빛을 이용해 신경 활동을 이미징하고 조작하기 위한 훌륭한 도구가 있기 때문이라고 말한다. 살아있는 해파리 전신을 현미경 아래에 두면 신경계 전체를 한 번에 볼 수 있다고 덧붙였다.
연구팀이 개발한 유전적 툴킷을 도입한 해파리는 뉴런이 활성화되면 해당 부분이 빛나게 되어 있다. 이는 특정 동작을 할 때 어떤 부분 뉴런이 활성화되어 있는지 파악하기 쉽다. 해파리 뇌는 인간처럼 몸 일부에 집중하는 게 아니라 전신에 그물처럼 분산되어 존재한다. 따라서 다양한 부위는 중앙제어시스템 없이 자율 동작 가능하며 외과적으로 해파리 입만을 제거해도 입만으로 먹는 동작을 계속할 수 있다는 것. 해파리는 수억 년 동안 지구상에서 살아남았기 때문에 분산형 신경계는 진화 전략으로 효과적인 것으로 보인다.
따라서 연구팀은 신경이 활성화되면 빛나는 유전적 도구를 도입한 이 해파리를 도입해 신경회로가 섭식 활동을 조절하는 방법을 연구했다. 이 해파리는 촉수로 새우를 잡을 때 몸을 접고 촉수를 입에 가깝게 하고 동시에 촉수를 향해 입을 구부리는 행동을 한다.
분석 결과 특정 신경 펩타이드를 생산하는 뉴런 서브네트워크가 몸을 접는 움직임을 담당하는 것으로 나타났다. 또 해파리 신경계는 언뜻 보면 확산되어 구조화되어 있지 않은 것처럼 보였지만 실제로는 뉴런이 조직화되어 있는 것도 밝혀졌다고 한다.
연구팀은 이번 실험은 둥근 해파리 우산에 모양에서 확산된 뉴런 네트워크가 사실 피자 슬라이스처럼 녹형으로 조직된 뉴런 패치로 세분화되어 있다는 걸 밝혔다고 말했다. 촉수가 새우를 잡으면 이 촉수에 가장 가까운 피자 슬라이스와 같은 범위 뉴런이 활성화되어 대응하는 본체 부분이 안쪽으로 접혀 새우가 입에 옮겨진다고 한다. 중요한 건 이 수준 신경 조직은 해파리 생체 구조를 현미경을 이용해도 보이지 않는다는 것이라고 밝혔다.
연구팀은 이번 연구에 대해 해파리 행동 일부를 설명하는 것이라며 앞으로 작업에선 신경망 내 모듈성과 각 모듈이 어떻게 연동하는지 조사하고 신경망에 의해 어떻게 행동이 만들어지는지 이해하고 싶다는 것. 궁극적인 목표는 해파리 신경계를 이해할 뿐 아니라 미래에는 더 복잡한 시스템을 이해하기 위한 출발점으로 사용할 것이라고 밝히고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.