수컷 초파리 커넥톰, 뇌와 신경삭 전반의 뉴런 166,691개 지도화
연구진은 뇌, 시엽, 복측 신경삭을 아우르는 뉴런 166,691개의 수컷 초파리 커넥톰을 공개했다.
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Google Research, 하워드 휴스 의학연구소(Howard Hughes Medical Institute)의 Janelia Research Campus, 그리고 국제 협력 연구진이 성체 수컷 초파리 중추신경계의 시냅스 해상도 커넥톰을 공개했다. 이 재구성에는 중추뇌, 양쪽 시엽, 그리고 흔히 척추동물의 척수에 비유되는 곤충 구조인 복측 신경삭에 걸친 교정 완료 뉴런 166,691개가 포함된다.
Google은 교정 완료 뉴런 수를 기준으로 이 리소스를 현재까지 가장 큰 뇌 지도라고 설명한다. 약 1억 2,500만 개의 시냅스 연결과 11,691개의 주석 처리된 뉴런 유형이 보고됐다. 관련 연구는 2026년 9월 3일 *Cell*에 게재됐으며, Google AI는 9월 9일 이 연구를 공개적으로 소개했다.
이 결과는 초파리 정신의 시뮬레이션이 아니다. 뉴런과 그 형태, 그리고 신호가 이동할 수 있는 물리적 연결을 보여주는 구조 지도다. 즉각적인 가치는 연구자가 감각 입력에서 고차 뇌 영역을 거쳐 운동 및 기타 신체 행동과 연관된 회로까지 이어지는 연속 경로를 이제 조사할 수 있다는 데 있다.
1. 새로운 커넥톰에 포함된 내용
MaleCNS 데이터셋은 단일 성체 수컷 *Drosophila melanogaster*의 중추신경계를 재구성한다. 범위에는 중추뇌, 시각 처리를 담당하는 시엽, 목 연결부, 복측 신경삭이 포함된다.
이러한 연속적 범위는 중요하다. 이전 커넥톰은 뇌 또는 신경삭을 별도로 지도화한 경우가 많았으며, 완전한 감각-운동 경로를 연구하려면 연구자가 서로 다른 표본과 데이터셋의 뉴런을 대응시켜야 했다. MaleCNS는 하나의 표본에서 뇌와 신경삭의 연결을 보존하므로, 두 재구성 사이의 인위적인 경계를 넘지 않고 회로를 추적할 수 있다.
이 프로젝트는 여러 선행 이정표를 잇는다. 2020년의 “헤미브레인(hemibrain)” 재구성은 암컷 초파리 뇌 일부에서 약 25,000개 뉴런과 2,100만 개 연결을 포괄했다. 2024년 FlyWire Consortium은 139,255개 뉴런과 5,450만 개 시냅스를 포함한 완전한 성체 암컷 뇌를 공개했다. 이후 별도의 2026년 Brain and Nerve Cord 데이터셋은 암컷 뇌와 복측 신경삭을 통합했으며, 해당 리소스에는 교정 완료 또는 대략적으로 교정된 뉴런 155,916개가 보고됐다.
따라서 MaleCNS는 최초의 완전한 초파리 뇌도, 최초의 뇌-신경삭 재구성도 아니다. 차별화되는 기여는 완성된 수컷 중추신경계, 뇌 지도 중 가장 많은 공개 교정 완료 뉴런 수, 그리고 개별 시냅스 해상도에서 기존 암컷 커넥톰과 비교할 수 있는 기준점이라는 데 있다.
“완전한”이라는 표현에도 단서가 필요하다. 저자들은 모든 생물학적 세부 사항에 오류가 없다고 주장하는 대신, 재구성의 해부학적 범위와 사실상 모든 추적 가능한 뉴런을 포괄했다는 점을 설명하기 위해 이 표현을 사용한다. 일부 세포는 표본 가장자리 아티팩트 또는 분할 문제로 인해 재구성할 수 없었다.
연구는 신경필 영역의 시냅스 전 부위 중 94%, 시냅스 후 부위 중 42%가 교정 완료 뉴런과 연결됐다고 보고한다. 검출된 시냅스 연결의 40.1%에서는 양쪽 모두 교정 완료 뉴런에 속했다. 이 비율은 이전의 대규모 커넥톰과 비슷하거나 더 높지만, “완전한 배선도”가 모든 시냅스의 완벽한 목록을 뜻하지는 않는다는 점을 분명히 한다.
2. AI와 인간 교정이 지도를 만든 방식
재구성은 향상된 집속 이온 빔 주사 전자현미경으로 시작됐다. 7대의 현미경 시스템이 13개월 동안 작동하며 등방성 8나노미터 해상도에서 0.082세제곱밀리미터의 부피를 촬영했다. 그 결과 데이터셋은 약 160테라복셀을 포함했다.
계산 시스템은 미세현미경 이미지를 일관된 3차원 볼륨으로 정렬했다. 이어 Google의 플러드필링 네트워크가 초기 뉴런 분할을 수행했다. 이러한 합성곱 신경망은 이미지 내 위치에서 시작해 주변 픽셀 중 어느 것이 동일한 생물학적 객체에 속하는지 예측하며, 길고 서로 얽힌 신경 돌기를 계산적으로 분리할 수 있게 한다.
알고리즘은 가능성 높은 시냅스, 세포핵, 신경전달물질 특성도 검출했다. 이러한 예측은 전자현미경 볼륨을 전문가가 검사할 수 있는 후보 뉴런 형태와 연결로 변환했다.
AI가 수동 재구성을 없앤 것은 아니다. 자동 분할은 두 뉴런을 잘못 병합하거나 하나의 뉴런을 여러 조각으로 분리할 수 있으며, 이런 오류는 이후의 모든 연결성 분석을 왜곡할 수 있다. 따라서 인간 전문가는 생성된 구조를 검토하고 분할 오류를 수정하며 해부학적 및 세포 유형 주석을 부여했다.
논문은 초기 분할을 교정하는 데 약 44인년의 작업이 필요했다고 추정한다. 연구진은 100개를 초과하는 시냅스 연결을 가진 자동 분할 조각을 모두 확인했고, 검출된 세포핵을 추가적인 계수 장치로 활용했다. 뉴런과 연관된 것으로 검출된 세포핵 141,780개 중 98.9%는 교정 완료 뉴런에 직접 연결됐으며, 연구팀은 나머지 거의 전부도 조각 기반 검토를 통해 포괄됐다고 추정했다.
이러한 작업 분담이 이번 발표의 핵심 AI 성과다. 머신러닝은 나노미터 규모 이미지 볼륨을 후보 3차원 뉴런으로 전환하는 일을 가능하게 했지만, 구조를 검증하고 그 의미를 해석하는 책임은 생물학 전문가에게 남아 있었다. 따라서 이 데이터셋은 자율 발견 시스템이나 대규모 언어 모델의 산출물이 아니라 AI 보조 과학 재구성이다.
3. 이제 수컷과 암컷 뇌를 시냅스 단위로 비교할 수 있다
수컷 지도는 수컷 및 암컷 초파리 뇌 커넥톰 간 최초의 포괄적인 시냅스 해상도 비교를 가능하게 한다. 연구진은 양 성별에서 구조적으로 유사한 뉴런 유형 7,205개를 대응시켰고, 공유 유형 114개를 성적 이형으로 분류했으며, 수컷 특이 유형 262개와 암컷 특이 유형 69개를 식별했다.
“성별 특이” 유형은 한 성별에 나타나지만 다른 기준 커넥톰에는 직접적인 대응 유형이 없는 유형이다. “이형” 유형은 양쪽에 존재하지만 형태나 연결성이 다르다. 이 범주들은 합쳐서 수컷 중추뇌 뉴런의 4.8%, 암컷 중추뇌 뉴런의 2.4%를 차지한다.
눈에 보이는 차이가 있는 뉴런 수가 상대적으로 적다는 사실은 이들의 네트워크 도달 범위를 과소평가한다. 연구는 수컷 뇌 뉴런의 약 18%, 암컷 뇌 뉴런의 약 8%가 두 데이터셋 간에 유의하게 다른 연결에 참여한다고 추정한다. 성별 특이 및 이형 뉴런은 서로 간에도 불균형적으로 많이 연결돼, 작은 구조적 변화가 더 넓은 회로에 영향을 줄 수 있는 집중 영역을 만든다.
이 차이는 균일하게 분포하지 않았다. 연구진은 주변부의 감각 및 운동 뉴런이 수컷과 암컷에서 대체로 유사한 반면, 성별 특이 및 이형 뉴런은 고차 뇌 중심부에 집중돼 있음을 발견했다. 일부 회로는 스위치처럼 작동해, 공유된 감각 정보를 서로 다른 하위 경로로 전달한다.
주석에는 초파리의 성적 분화와 연관된 전사 인자인 *fruitless* 및 *doublesex*의 발현 정보도 포함된다. 이를 통해 연구자는 유전적 조절을 세포 정체성, 회로 구조, 구애 및 공격성과 같이 실험적으로 관찰된 행동에 연결할 수 있다.
커넥톰만으로 특정 연결이 어떤 행동을 유발한다고 증명할 수는 없다. 대신 실험 탐색 공간을 좁힌다. 과학자는 후보 뉴런 또는 경로를 식별하고 살아 있는 초파리에서 조작한 뒤 예측된 행동 효과가 나타나는지 시험할 수 있다.
4. 단순한 공개 이미지가 아닌 오픈 연구 리소스
MaleCNS 버전 1.0은 동료 심사 논문이 9월에 게재되기 전인 2026년 6월 8일에 공개됐다. 데이터셋은 CC BY 라이선스로 제공되며 Neuroglancer, neuPrint, Clio 및 전용 세포 유형 탐색기를 통해 살펴볼 수 있다.
연구자는 분할 볼륨, 뉴런 스켈레톤, 주석, 신경전달물질 예측, 시냅스 위치, 파트너 표, 전체 연결 그래프도 내려받을 수 있다. Janelia는 프로그래밍 방식의 접근과 함께 공개 neuPrint 인스턴스를 뒷받침하는 다운로드 가능한 Neo4j 데이터베이스를 제공한다.
이러한 접근 방식은 커넥톰을 구축한 그룹 외에도 유용하게 만든다. 시각을 연구하는 연구실은 특정 광수용체의 하류 뉴런을 가져올 수 있고, 행동 연구자는 감각 뉴런과 운동 출력 사이의 경로를 조사할 수 있으며, 계산신경과학자는 영상 촬영과 재구성 과정을 반복하지 않고 전체 네트워크를 분석할 수 있다.
주 논문과 함께 공개된 세 편의 동반 연구는 이 리소스를 시각 처리, 미각, 사회적 행동에 적용한다. 한 연구는 R1–R6 시각 뉴런에서 DNg13 운동 뉴런으로 이어지는 경로를 지도화했으며, 여기에는 구애에 관여하는 특수 시각 영역인 “러브 스폿(love spot)”과 연관된 수컷 특이 뉴런이 포함된다. 다른 분석은 신체 전반의 감각 뉴런에서 시작한 미각 정보를 섭식, 운동, 호르몬 분비, 구애와 관련된 회로까지 추적한다.
이 지도는 광학현미경 이미지, 유전적 드라이버 라인, 생리학적 기록, 이전 커넥톰과 대응시킬 수 있는 표준화된 세포 유형도 제공한다. 구조적 예측은 연구자가 살아 있는 동물에서 해당 세포를 식별하고 조작할 수 있을 때에만 실험적으로 유용해지므로, 이러한 상호운용성은 중요하다.
5. 이 지도가 설명하는 것과 설명하지 않는 것
커넥톰은 물리적 배선을 기록하며, 작동하는 신경계의 완전한 상태를 기록하지는 않는다. 순간순간의 전기 활동, 신경조절, 학습, 시냅스 가소성, 초파리의 이력과 내부 상태가 미치는 효과를 직접 포착하지 않는다. 따라서 이 지도만으로는 초파리의 행동을 재현하거나 개별 뉴런이 “무엇을 의미하는지” 확립할 수 없다.
재구성은 하나의 수컷 표본을 나타낸다. 암컷 데이터셋과의 비교에는 실제 성별 연관 차이, 개체 간 일반적인 변이, 영상 또는 재구성 방법으로 인해 도입됐을 수 있는 차이가 포함된다. 연구진은 형태, 연결성, 알려진 유전 표지를 사용해 보수적으로 대응시켰지만, 집단 수준의 변이를 측정하려면 추가적인 수컷 및 암컷 커넥톰이 필요하다.
실용적 기여는 더 제한적이며 검증 가능하다. MaleCNS는 감각 정보가 운동 및 행동 회로에 어떻게 도달하는지에 관한 가설을 세울 수 있도록 신경과학자에게 공통의 검사 가능한 기준점을 제공한다. 또한 AI 보조 분할, 대규모 전자현미경, 체계적인 인간 교정이 검증된 뉴런 166,000개 이상을 포함하는 전체 중추신경계 지도를 만들 수 있음을 보여준다.
자주 묻는 질문
이것이 최초의 완전한 초파리 뇌 지도인가요?
아닙니다. 연구진은 2024년에 139,255개 뉴런으로 구성된 성체 암컷 뇌 커넥톰을 공개했습니다. MaleCNS는 전체 수컷 초파리 중추신경계의 최초 완성 커넥톰이며, 교정 완료 뉴런 수 기준으로 가장 큰 뇌 지도입니다.
데이터셋에는 초파리의 척수가 포함되나요?
뇌와 온전하게 연결된 목 연결부와 함께, 척추동물 척수에 상응하는 곤충 구조인 복측 신경삭이 포함됩니다.
AI가 인간의 도움 없이 신경계를 지도화했나요?
아닙니다. AI 시스템은 이미지를 정렬하고 뉴런을 분할하며 후보 시냅스를 검출했지만, 전문가는 구조를 교정하고 주석을 추가하는 데 약 44인년을 투입했습니다.
커넥톰은 작동하는 초파리 시뮬레이션인가요?
아닙니다. 이는 구조적 배선도입니다. 행동을 시뮬레이션하려면 신경 활동, 시냅스 역학, 감각 입력, 근육, 신체와 환경의 상호작용에 대한 모델도 추가로 필요합니다.
연구자가 데이터를 내려받을 수 있나요?
그렇습니다. Janelia는 CC BY 라이선스에 따라 다운로드 가능한 볼륨, 주석, 뉴런 스켈레톤, 연결성 표, 시냅스 데이터, 데이터베이스 내보내기를 제공합니다.
참고 자료
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