인간의 눈~뇌를 잇는 신경은 언제 처음 나타났을까

4억 5천만년 전 물고기에서 발견돼

인간의 눈과 뇌를 연결하는 신경 네트워크는 대단히 정교하다. 눈에서 감지한 시각정보가 어떻게 뇌에 전달되기에 인간은 피사체와의 거리를 추정하고, 사물을 입체적으로 파악하는 것일까? 당연해 보이는 인간의 눈~뇌의 신경 네트워크는 언제 만들어졌을까.

과학자들은 눈~뇌 신경 네트워크가 지금까지 생각했던것 보다 훨신 더 일찍 진화했다는 것을 발견했다. 이번 발견은 동갈치를 연구하다가 전혀 예상하지 못하게 이뤄졌다.

이중 눈~뇌 신경 네트워크를 가진 동갈치

미시간 주립대학(Michigan State University)의 잉고 브라쉬(Ingo Braasch) 교수와 국제공동연구팀은 눈~뇌 신경회로가 적어도 4억 5천만 년 전의 고대 물고기에 이미 존재했다고 발표했다. 이 같은 연대는 지금까지 생각했던 것 보다 약 1억년 앞선 것이다.

교과서를 바꿀 만한 새 발견

4월 8일 사이언스(Science) 저널에 발표된 이번 연구에 대해 브라쉬 교수는 “ 문자 그대로 교과서를 바꾸는 발견”이라고 말했다.

이번 발견은 물고기의 눈~뇌 신경 연결이 육지에 사는 4지동물보다 앞서서 존재했다는 것을 의미한다. 기존 이론은 이 연결이 처음에는 지상 생물에서 진화하여 인간에게 전해졌다고 생각했다. 과학자들은 눈~뇌의 신경연결이 인간에게 3D 시력에 도움을 준다고 믿고 있다.

프랑스 국립보건의학연구원(INSERM)이 주도한 이번 연구는 우리의 이해를 바꿀 뿐 아니라, 미래 인류의 건강 연구에 시사하는 바가 있다고 연구팀은 밝혔다.

과학자들이 동물 모델을 연구하는 것은 인간의 건강과 질병에 대해 배우는 매우 중요한 방법이지만, 동물 모델에서 인간을 연구하는 것이 어려울 때가 있다. 예를 들어, 제브라피시는 인기 있는 모델 동물이지만, 제브라피시의 눈~뇌 배선은 인간과 매우 다르다.

브라쉬는 동갈치 같이 특이한 종류의 물고기를 연구하는 세계적인 전문가 중의 하나이다. 동갈치는 제브라피시보다 더 느리게 진화해왔다. 이는 동갈치가 물고기와 인간이 공유한 마지막 공통 조상과 더 비슷하다는 것을 의미한다. 이러한 유사점들은 동갈치를 건강 연구를 위한 강력한 동물 모델로 만들 수 있다. 이것이 브라쉬 연구팀이 동갈치 생물학과 유전학을 더 잘 이해하기 위해 노력하는 이유이다.

동갈치 연구는 현대의 눈~뇌의 신경 연결이 지금까지 생각했던 것보다 훨씬 더 일찍 진화했을지도 모른다는 것을 보여준다.

프랑스 연구팀은 유럽에 존재하지 않고 생명의 나무에서 중요한 위치를 차지하는 물고기인 점박이 동갈치를 접할 수 없었다.

동갈치의 뇌. 왼쪽 반구는 초록색으로, 오른쪽 반구는 붉은색으로 보이지만, 아래쪽에서는 두 색깔이 모두 나타난다. 이는 인간처럼 신경이 양쪽으로 연결됐음을 보여준다. ⓒR.J. Vigouroux

프랑스 국립보건의학연구원 비전연구소의 알랭 체도탈(Alain Chédotal) 박사 연구팀은 물고기의 눈과 뇌를 연결하는 신경을 탐지하는 획기적인 기술을 사용했다. 여기에는 잘 연구된 제브라피시가 포함되었지만, 호주 퀸즐랜드 대학의 공동 연구자가 제공한 폐어(lungfish)나 브라쉬 교수가 제공한 동갈치 표본이 포함되었다.

제브라피시의 각각의 눈은 제브라피시 두뇌의 반대편과 하나의 신경으로 연결되어 있다. 즉, 한 신경은 왼쪽 눈을 뇌의 오른쪽 반구에 연결하고, 다른 신경은 오른쪽 눈을 뇌의 왼쪽과 연결한다.

인간의 눈~뇌 신경연결, 고대 물고기에서 발견

그런데 더 ‘고대’ 물고기인 동갈치는 다르게 연결한다. 고대 물고기는 소위 말하는 동측 또는 쌍방 시각 투영을 한다. 다시 말해 각각의 눈은 두 개의 신경 연결고리를 가지고 있다. 하나의 눈에서 나온 신경 연결고리는 뇌의 양쪽으로 간다.

인간이 바로 이 같은 방식으로 눈~뇌의 신경이 연결된다. 유전학과 진화에 대해 전문지식을 가진 연구팀은 이러한 쌍방 투영이 처음 나타난 시기를 추정해서 약 4억 5천만년 전이라는 시간을 찾아냈다.

브라쉬 교수는 “우리는 상대적으로 늦게 진화되었다고 생각했던 많은 것들이 실제로 매우 오래되었다는 것을 점점 더 많이 발견한다”라고 말했다. 이 때문에 교과서를 고쳐 써야 한다고 연구팀은 말했다.

이번 발견은 인간이 자연과 더욱 연관되어 있다는 것을 보여준다.

브라쉬 교수는 “이 이상한 물고기를 보고 우리 몸의 부분들이 얼마나 오래된 것인지 좀 더 잘 이해하게 되면서, 나는 사람이 정말 특별하다는 것을 배우게 된다”라고 말했다.

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