뉴런은 어떻게 연결되고 변화할까… AI 영상으로 다시 주목받은 ‘신경가소성’

신경세포가 가느다란 가지를 뻗어 주변을 탐색하고 다른 신경세포와 연결되는 듯한 영상이 소셜미디어에서 관심을 모으고 있다. 마치 현미경으로 살아 있는 뉴런의 움직임을 들여다보는 것처럼 보이지만, 해당 영상은 실제 신경세포를 촬영한 것이 아니라 인공지능(AI)으로 만들어진 것으로 확인됐다.

과학 콘텐츠를 소개하는 X 계정 ‘Sci Nature News’는 6일 오후 12시 47분께 해당 영상을 공유하며 “뇌는 끊임없이 연결을 만들고 있다”고 소개했다. 게시물은 뉴런이 작은 가지를 뻗어 주변을 탐색하고 다른 뉴런과 연결되며, 이렇게 형성된 시냅스(synapse)를 통해 신경세포들이 신호를 주고받는다고 설명했다.

하지만 영상의 원 출처를 확인하면 실제 현미경 촬영 자료는 아니다. Sci Nature News가 인용한 영상을 게시한 X 이용자 ‘alexei(@alexeixbt)’는 이후 댓글을 통해 AI로 만든 영상이며, 실제 뉴런의 재배선 장면이 아니라 신경가소성을 시각적으로 표현한 것이라고 밝혔다.

따라서 이번 게시물과 직접 연결된 원본 논문이나 연구 영상도 별도로 존재하지 않는 것으로 파악된다. 특정 연구 결과를 촬영한 자료라기보다 신경가소성이라는 과학적 개념을 AI 영상으로 시각화한 콘텐츠에 가깝다.

다만 영상이 표현하려 한 ‘신경세포의 연결과 변화’ 자체는 실제 신경과학 연구를 통해 오랫동안 관찰돼 온 현상이다.

우리 뇌의 신경세포인 뉴런은 축삭(axon)과 수상돌기(dendrite) 등을 통해 다른 신경세포와 연결되고 정보를 주고받는다. 특히 신경계가 발달하는 과정에서는 성장하는 축삭의 끝부분에 ‘성장원뿔(growth cone)’이라는 구조가 나타난다. 성장원뿔은 주변의 화학적·물리적 신호에 반응하며 적절한 방향을 찾아 이동하고, 이 과정에서 신경회로가 만들어진다.

살아 있는 신경세포가 성장하면서 구조를 변화시키는 모습도 실제 현미경 연구를 통해 관찰됐다. 1988년 국제학술지 ‘Journal of Neuroscience’에 발표된 연구에서는 살아 있는 신경세포의 성장원뿔을 시간에 따라 관찰해 필로포디아(filopodia)와 라멜리포디아(lamellipodia) 같은 미세 구조가 움직이면서 신경돌기가 성장하는 과정을 확인했다.

이후 현미경 기술이 발전하면서 살아 있는 동물의 신경세포가 변화하는 과정도 보다 구체적으로 포착되기 시작했다.

2000년 국제학술지 ‘Nature Neuroscience’에 발표된 연구에서는 살아 있는 제브라피시 배아를 이광자 현미경으로 관찰했다. 연구진은 신경세포의 성장원뿔과 수상돌기에서 작은 돌기들이 생겨났다 사라지는 모습을 추적했고, 신경세포가 처음 접촉하고 시냅스를 형성하는 과정에서 구조적인 변화가 활발하게 나타난다는 사실을 확인했다.

2001년 같은 학술지에 발표된 연구에서도 살아 있는 올챙이의 망막 신경세포를 관찰한 결과, 축삭이 가지를 형성하는 과정에서 시냅스가 새롭게 만들어지거나 사라지는 현상이 포착됐다. 신경세포의 구조 변화와 시냅스 형성이 서로 밀접하게 연결돼 있다는 사실을 보여준 연구다.

이러한 연구들은 뇌가 처음 만들어지고 성장하는 과정에서 신경회로가 어떻게 형성되는지를 보여준다. 다만 발달기의 뉴런이 가지를 뻗으며 신경망을 만드는 모습과 성인의 뇌에서 일어나는 ‘신경가소성(neuroplasticity)’을 똑같은 현상으로 보는 것은 정확하지 않다.

신경가소성은 경험이나 학습, 감각 자극 등에 따라 신경계의 기능과 연결이 변화하는 능력을 의미한다. 새로운 연결이 생기는 것만을 뜻하지 않는다. 기존 시냅스에서 신호를 전달하는 힘이 강해지거나 약해질 수 있고, 일부 시냅스가 새롭게 생기거나 사라지면서 신경망의 구조가 달라지기도 한다.

이러한 변화를 보여주는 대표적인 구조가 수상돌기 표면의 작은 돌기인 ‘수상돌기 가시(dendritic spine)’다. 살아 있는 동물을 장기간 관찰한 연구에서는 일부 수상돌기 가시가 새로 생겨나거나 사라지고, 크기와 형태가 변하는 모습이 확인됐다. 이 같은 변화는 신경활동이나 경험, 발달 단계 등에 따라 달라질 수 있다.

성인의 뇌에서도 이런 가소성은 이어진다. 그러나 모든 뉴런이 끊임없이 새로운 가지를 길게 뻗어 다른 뉴런과 연결되는 방식은 아니다. 장기간 생체 관찰 연구들을 보면 성인 포유류의 대뇌피질에서는 큰 축삭과 수상돌기 가지가 비교적 안정적으로 유지되는 반면, 수상돌기 가시나 축삭 말단처럼 시냅스와 관련된 작은 구조에서는 생성과 소멸, 형태 변화가 계속 나타난다.

때문에 “뇌는 끊임없이 연결을 만들고 있다”는 Sci Nature News의 표현은 신경가소성을 쉽게 전달하기 위한 설명으로 볼 수 있다. 과학적으로는 뇌가 단순히 새로운 연결만 계속 만드는 것이 아니라 필요에 따라 기존 연결을 강화하거나 약화하고, 새로운 연결을 형성하거나 일부 연결을 제거하면서 신경망을 조정한다고 이해하는 것이 보다 정확하다.

이번에 공유된 영상은 이러한 과정을 직접 촬영한 과학 자료는 아니다. 하지만 영상이 표현하고자 한 것처럼 뇌의 신경 연결이 한 번 만들어진 뒤 그대로 고정되는 것이 아니라 경험과 활동에 따라 기능적·구조적으로 변화할 수 있다는 사실은 여러 신경과학 연구를 통해 확인돼 왔다.

AI로 만들어진 영상과 실제 과학적 관찰을 구분할 필요는 있지만, 이번 영상이 다시 관심을 불러온 ‘신경가소성’은 뇌가 학습하고 경험에 적응할 수 있는 중요한 특성 가운데 하나다. 눈에 보이지 않을 만큼 작은 시냅스의 변화가 쌓이면서 뇌의 신경망 역시 끊임없이 조정되고 있는 셈이다.