인간의 뇌는 서로 다른 두 기관입니다 — Stanford Medicine 연구진이 밝혀낸 뇌의 이중 기원

본문

Stanford Medicine이 주도한 연구는 인간의 뇌가 발달 단계에서 하나의 통합된 기관으로 만들어진다는 기존 관점에 의문을 제기합니다. 연구진은 뇌의 앞부분과 뒷부분이 초기 배아 단계부터 서로 다른 전구세포 계통을 따르며, 수억 년 동안 독립적으로 진화한 두 신경계가 하나의 뇌 안에 함께 배치된 구조에 가깝다고 설명합니다. 이 발견은 뇌 발달의 기원을 다시 그리는 동시에, 그동안 실험실에서 만들기 어려웠던 후뇌 뉴런을 배양하고 뇌간 질환을 연구할 수 있는 방법으로 이어집니다.

전뇌·중뇌와 후뇌의 서로 다른 기원

성인의 뇌는 크게 전뇌(forebrain), 중뇌(midbrain), 후뇌(hindbrain)로 나뉩니다. 전뇌는 언어, 의식, 추상적 추론과 같은 고차원적 사고를 담당하고, 후뇌는 흔히 뇌간(brain stem)으로 불리며 호흡, 수면, 심장박동, 배고픔 같은 생존에 필수적인 자동 기능을 조절합니다. 후뇌에서 만들어지는 뉴런은 얼굴·혀·목 근육도 제어하므로 말하기와 삼키기에도 관여합니다.

연구진은 몸의 기본 구조가 형성되는 배아 발달 초기 단계인 낭배형성(gastrulation)에 주목했습니다. 생쥐 배아를 분석한 결과, 전뇌와 중뇌로 발달하는 전구세포는 Otx2 유전자를 발현하고, 후뇌로 발달하는 전구세포는 Gbx2 유전자를 발현하는 것으로 나타났습니다. 두 세포 집단은 발달 초기부터 서로 겹치지 않았으며, 각각의 운명이 상호 배타적으로 정해져 있었습니다. 후뇌가 전뇌·중뇌에서 갈라져 나온다는 기존의 단순한 발달 경로와 달리, 후뇌는 나란히 진행되는 별도의 경로를 따랐습니다.

연구진은 이 차이가 세포의 DNA 포장 방식인 염색질(chromatin)에서도 나타나는지 살폈습니다. 미래의 전뇌·중뇌가 되는 앞쪽 신경외배엽(anterior neural ectoderm)과 후뇌가 되는 뒤쪽 신경외배엽(posterior neural ectoderm)은 유전자에 접근할 수 있는 방식 자체가 근본적으로 달랐습니다. 이런 염색질 구성은 각 전구세포를 특정한 발달 운명에 사실상 고정하는 역할을 했습니다. 연구진은 이를 서로 교차하지 않는 평행 선로에 비유했습니다.

실험실에서 후뇌 운동뉴런을 배양하다

후뇌는 중요한 기능을 담당하지만, 과학자들은 수십 년 동안 인간 후뇌 뉴런을 실험실에서 충분히 만들어내지 못했습니다. 이번 연구는 그 이유가 최종적으로 원하는 뉴런을 얻는 과정이 아니라, 출발점인 전구세포를 잘못 선택했기 때문일 수 있음을 보여줍니다. 연구진에 따르면 과거의 시도는 전뇌·중뇌 전구세포를 후뇌 세포로 유도하려 했지만, 두 계통은 초기부터 다른 발달 경로에 고정돼 있어 이런 전환이 가능하지 않았습니다.

연구진은 이 발달 원리를 바탕으로 인간 다능성 줄기세포(human pluripotent stem cell)를 기능성 후뇌 운동뉴런으로 유도하는 데 성공했습니다. 배양된 세포는 실제 후뇌 세포의 특징을 보였습니다. 활동전위(action potential)라는 전기적 활동의 파동을 나타냈고, 얼굴과 삼킴 근육을 제어하는 후뇌 구간을 식별하는 단백질도 만들었습니다. Kyle Loh 박사는 앞뇌가 뒷뇌와 완전히 다른 전구세포에서 나온다는 사실을 처음 보였으며, 이제 배양 접시에서 후뇌 뉴런을 만들고 기능을 연구할 수 있게 됐다고 설명했습니다.

SMA·ALS 연구와의 연결

후뇌 뉴런을 배양할 수 있게 되면 뇌간(brain stem)을 침범하는 질환을 연구할 새로운 실험 모델을 얻을 수 있습니다. 척수성 근위축증(spinal muscular atrophy, SMA)은 1세 미만 영아 사망의 주요 유전적 원인 가운데 하나이며, 근위축성 측삭경화증(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)은 일반적으로 40~70세 사이에 진단됩니다. 두 질환에서는 특정 후뇌 뉴런의 기능이 점차 손상됩니다.

환자는 먼저 삼키는 능력을 잃을 수 있고, 음식이나 액체가 폐로 들어가 폐렴을 일으킬 수 있습니다. 질환이 진행되면 결국 호흡 능력도 잃게 됩니다. 지금까지는 살아 있는 환자의 뇌간 조직을 직접 얻기 어려워 이러한 변화를 연구하는 데 한계가 있었습니다. 연구진은 실험실에서 만든 후뇌 뉴런을 사용해 SMA와 ALS에서 어떤 문제가 발생하는지 살피고, 향후 재생 치료(regenerative therapy)를 연구할 수 있을 것으로 보고 있습니다. 후뇌에 식욕을 조절하는 회로가 있다는 점에서, 세마글루타이드(semaglutide) 같은 체중 감량 약물이 작용하는 방식과도 연결될 수 있다고 설명합니다.

5억 년이 넘는 진화적 보존

연구진은 이 두 기원 패턴이 인간만의 특성인지 확인하기 위해 약 5억 5천만 년에 걸친 진화의 흔적도 조사했습니다. 닭, 제브라피시(zebrafish), 그리고 인간과 먼 공통 조상을 공유하는 바다 밑 생물인 우뭇가사리벌레(acorn worm)에서도 같은 두 기원 구조를 확인했습니다. 인간과 약 6억~7억 년 전에 갈라진 해파리(jellyfish)는 몸의 서로 다른 끝에 두 개의 신경계를 갖고 있습니다.

연구진은 진화 과정에서 이미 존재하던 두 신경계가 공간적으로 결합했을 가능성을 제시합니다. 하나의 기관으로 뇌를 만드는 편이 더 효율적일 수 있지만, 인간을 포함한 여러 동물은 두 개의 분리된 조각으로 뇌를 만드는 원시적인 방식을 유지했다는 설명입니다. 연구 결과는 9월 18일 Nature Neuroscience에 게재됐으며, 연구진은 다음 단계로 척수의 발달 기원을 밝히고 SMA와 ALS가 후뇌 뉴런의 기능을 정확히 어떻게 훼손하는지 조사할 계획입니다.

Hacker News 반응

• @k310 — bioRxiv 프리프린트는 2025년 7월에 공개됐습니다 [0]. 이 프리프린트의 저작권자는 저자·후원자이며, bioRxiv에 영구적으로 표시할 수 있는 라이선스를 부여했습니다 [0]. 이 자료는 CC-BY 4.0 International 라이선스로 제공되며, PDF를 무료로 다운로드할 수 있습니다. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.07.02.662771v2
• @msephton — 관련 글입니다. https://www.newscientist.com/article/2589739-our-brain-evolv... https://news.ycombinator.com/item?id=49755533
• @bethekind — “두 가지 서로 다른 뇌 전구세포를 확인했습니다. 하나는 Otx2라는 유전자를 발현하며 전뇌와 중뇌가 될 운명입니다. 다른 하나는 Gbx2를 발현하며 후뇌를 형성하도록 정해져 있습니다. 두 세포 집단은 절대 겹치지 않고, 발달 초기부터 상호 배타적이라는 사실을 보였습니다.” 정말 멋집니다. 뇌가 완전히 다른 두 조상을 가질 수 있다고는 생각해 본 적이 없습니다.
• @trhway — 지금 첫 화면에 올라온 다른 글에서 가져온 내용입니다. “신경계는 일반적으로 시냅스를 가로질러 소통하는 뉴런 네트워크로 정의됩니다. 하지만 Burkhardt 연구실은 빗해파리(ctenophore)에서 독특한 점을 발견했습니다. 동물의 외부 표면 아래에는 신경망이 있고, 3D 재구성에서는 분홍색 망으로 보이지만, 그 뉴런들은 서로 시냅스로 연결된 것이 아니라 연속된 세포질로 연결돼 있습니다. ‘다른 어떤 동물도 이런 신경계를 갖고 있다고 생각하지 않습니다’라고 Burkhardt가 말했습니다. 빗해파리는 동물 계통수에서 가장 이른 가지 중 하나이므로, 이 발견은 진화가 신경계를 두 번 만들었을 가능성을 보여줍니다. 한 번은 빗해파리에서, 그리고 별도로 해파리와 다른 모든 동물에서 만들었다는 뜻입니다.”
• @ozim — 이 글을 읽을 때 인간인 저는 ‘신경계를 두 번 만들었다’는 표현을 마치 일주일이나 이주일 동안 작업해서 만든 것처럼 읽게 됩니다. 우리는 신경계를 만드는 데 얼마나 오랜 시간이 걸리는지 상상하지 못합니다. 거대한 세계의 계획에서 우리가 얼마나 작은 존재인지 생각하면 정말 두렵습니다.

원문: Stanford Medicine / 번역·요약: Trawling