"뇌는 사실 두 개의 기관"…스탠퍼드 의대, 수억년 진화 비밀 규명

인간의 뇌는 하나의 기관이 아니라 수억 년에 걸쳐 독립적으로 진화한 두 개의 기관이라는 연구 결과가 나왔다.

스탠퍼드 의대 연구진은 18일(현지시간) 국제학술지 네이처 뉴로사이언스에 이 같은 내용의 논문을 게재한다고 밝혔다. 카일 로 스탠퍼드 의대 발달생물학 부교수가 교신저자, 대학원생 캐럴린 던데스와 라이언 조카이가 공동 제1저자다.

연구진에 따르면 성인의 뇌는 전뇌·중뇌·후뇌로 나뉜다. 전뇌는 언어와 의식, 추상적 사고를 담당하고, 두개골 뒤쪽의 후뇌(뇌간)는 호흡과 수면, 심장 박동, 배고픔 조절 등 생명 유지 기능을 맡는다.

그동안 학계는 초기 발생 단계의 단일 전구세포 하나가 뇌 전체를 만든다고 봤다. 그러나 연구진은 생쥐 배아를 관찰한 결과 뇌가 서로 다른 두 전구세포에서 비롯된다는 사실을 확인했다.

Otx2 유전자를 발현하는 세포는 전뇌와 중뇌로, Gbx2 유전자를 발현하는 세포는 후뇌로 분화했다. 두 세포 집단은 발생 초기부터 서로 겹치지 않고 배타적으로 존재했다.

조카이는 "후뇌 뉴런을 만들려던 기존 시도는 전뇌·중뇌 전구세포를 후뇌 세포로 바꾸려 한 것"이라며 "우리 연구는 그것이 불가능함을 보여준다"라고 말했다.

연구진은 이 발견을 바탕으로 인간 만능줄기세포를 기능성 후뇌 운동뉴런으로 분화시키는 데 처음 성공했다. 실험실에서 배양한 뉴런은 활동전위를 보였고, 얼굴과 삼킴 근육을 조절하는 후뇌 부위의 단백질을 만들었다.

이번 성과는 척수성근위축증(SMA)과 근위축성측삭경화증(ALS) 등 뇌간 질환 연구에 활용될 전망이다. SMA는 생후 1년 미만 영아의 주요 유전적 사망 원인이며, ALS는 40~70세에 주로 진단된다.

두 질환 모두 특정 후뇌 뉴런이 점차 기능을 잃으면서 환자가 삼키는 능력을 잃고 결국 호흡까지 못 하게 된다. 그동안 살아 있는 환자에게서 뇌간 조직을 얻을 수 없어 연구가 어려웠다.

연구진은 닭과 제브라피시, 도토리벌레에서도 동일한 이중 기원 패턴을 확인했다. 인간과 6억~7억 년 전 갈라진 해파리 역시 몸 양 끝에 두 개의 신경계를 지닌다.

로 교수는 "진화가 기존의 두 신경계를 공간적으로 밀어 붙인 것으로 보인다"라며 "뇌를 하나의 기관으로 만드는 편이 효율적이겠지만, 우리는 뇌를 두 조각으로 만드는 원시적 방식을 여전히 사용한다"라고 설명했다.

조카이는 "이제 이 파괴적인 질환을 더 잘 이해하고 재생 치료를 향해 나아갈 모델을 갖게 됐다"라고 말했다. 연구진은 향후 척수의 발생 기원과 SMA·ALS가 후뇌 뉴런 기능을 어떻게 손상하는지 규명할 계획이다.

캘리포니아공과대학(칼텍)과 캘리포니아대학교 샌프란시스코(UCSF) 연구진도 이번 연구에 참여했다.