두뇌는... 죽지 않는다

[태이자 이재운1045]

죽음이란 개념이 없을 수도 있다

- 죽은 동물의 뇌에 액체 주입했더니 뇌세포 일부 활동 재개

육류 가공 공장에서 나온 돼지의 머리는 쓰레기로 버려질 운명이었다. 혈관에서 피가 다 빠진 뇌는 형체를 잃어갔고, 뇌세포는 이미 산소 공급이 끝난 직후부터 파괴되고 있었다. 하지만 사후 4시간이 지난 사체에서 뇌를 꺼낸 뒤 정맥을 통해 특수 제작한 액체를 흘려 넣자 예상 못한 일이 일어났다. 뇌세포 일부가 다시 활동을 재개한 것이다.

- 네이쳐지에 실린 기사. <네이처로 가서 이 기사 읽어보기>

미국 연구팀이 죽은 지 4시간이 지난 동물의 뇌에 인공적으로 액체를 주입해 뇌세포 일부를 6시간까지 다시 활성화시키는 데 성공했다. 죽은 동물의 뇌세포를 일부라도 다시 활성화시킨 것은 이번이 처음이다. 의식 등 뇌의 고차원적인 기능까지 되살리지는 못했지만, 향후 뇌 손상이나 질환에 의해 기능을 멈춘 뇌를 치료할 수 있을지 주목 받고 있다. 반면 뇌의 활동 정지를 기준으로 나뉘던 ‘삶과 죽음의 경계’가 모호해지면서, 복잡한 윤리 문제가 대두될 가능성도 함께 제기됐다.

네나드 세스탄 미국 예일대 의대 교수팀은 육류가공공장에서 나온 사후 4시간이 지난 돼지 32마리의 사체로부터 뇌를 분리한 뒤 ‘브레인엑스(BrainEx)’라고 이름 붙인 장치에 하나씩 넣고 화학처리를 해 뇌세포 일부의 기능을 살릴 수 있음을 확인해 ‘네이처’ 18일자에 발표했다. 

세스탄 교수팀은 보존제와 안정제, 조영제, 산소 등이 들어간 ‘벡스(BEx)’라는 인공 액체를 혈액 대신 체온과 같은 약 37도의 온도로 데우고, 브레인엑스를 이용해 이를 뇌로 향하는 정맥에 주입했다. 연구팀은 벡스의 주입량과 성분 등을 정교하게 조절해 실제 뇌 속에 혈액이 흐르는 것처럼 통제한 뒤 돼지의 뇌를 관찰했다. 그 결과, 사후 4시간이 지났음에도 세포 사멸이 멈추고 뇌의 해부학적인 형태와 세포 구조를 생전처럼 유지시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 뇌 속 혈관도 정상 구조를 되찾았고, 뇌 속 면역세포인 글리아 세포도 면역반응을 재개했다. 심지어 신경세포 사이의 접점인 시냅스에서 자발적인 신경 반응도 포착했다. 이런 상태는 사후 10시간째인 실험 6시간 뒤까지 지속됐다. 연구팀은 “제약 조건 때문에 6시간 뒤 실험을 중단했다. 좀더 긴 시간 지속될 가능성도 있었다”고 말했다.

다만 연구팀은 이 뇌에서 의식이나 지각의 징후는 전혀 발견하지 못했다고 밝혔다. ‘뇌세포는 살아있지만 뇌는 죽은’ 상태라는 것이다.

연구자들은 이번 연구 결과를 두 가지로 응용할 수 있을 것으로 내다봤다. 먼저 사고 등에 의한 충격으로 손상된 뇌를 의학적으로 연구하는 데에도 쓸 수 있다. 세스탄 교수는 “그동안 분리된 뇌 속 세포 활동의 회복 능력이 저평가돼 왔다”며 “이번 연구 결과는 뇌졸중 등의 증세에 대한 치료법을 연구하는 데 응용할 수 있을 것”이라고 말했다. 다만, 아직 세포 차원의 기능만 활성화시킨 만큼 진짜 뇌 전체를 활성화시킬 수 있을지 여부는 긴 논쟁과 연구가 필요할 것으로 보인다. 연구팀은 또 브레인엑스 시스템을 뇌의 3차원 연결망의 기능을 시험할 때 사용할 것도 제안했다. 약물에 의한 반응 등을 연구한다는 것이다.

이번 연구는 여러 윤리적 논쟁을 불러일으킬 것으로 보인다. 죽은 동물의 뇌 세포 일부를 브레인엑스를 써서 활성화시킨 뒤 약물이나 의학 실험에 쓰는 것부터 논란이다. 크리스틴 그레이디 미국국립보건원 임상센터 생명윤리학과장은 “뇌 손상이나 병의 비밀을 풀기 위해 만든 강력한 도구인 것은 사실이지만, 이를 사용하는 데에는 윤리적 책임이 따른다”며 “기초과학의 새로운 장을 여는 과정에서 만날 수 있는 잠재적 윤리 이슈를 연구자와 신중히 검토해야 한다”고 말했다.

생명윤리학자인 현인수 미국 케이스웨스턴리저브대 교수는 시선을 돌려, 의학 현장에서 죽음을 결정하는 기준이 달라지면서 환자를 위한 이식용 장기 수급에도 영향이 미칠 가능성을 제기했다. 현 교수는 같은 날 네이처에 발표한 기고문에서 “대부분의 국가에서 뇌 기능이 되돌릴 수 없을 정도로 상실된 경우나 순환기가 되돌릴 수 없을 정도로 상실된 경우 법적으로 죽음을 선고한다”며 “수십 년 동안 환자들은 뇌사 선고 환자로부터 장기를 이식 받았고 최근에는 심장과 폐 기능이 중단된 환자로부터도 장기를 이식 받아왔다. 그런데 뇌에는 회복 능력이 없다는 가정에 도전하는 연구가 나오면 뇌를 살리려는 환자는 늘고 이식용 장기 기증은 줄어드는 결과가 나타날 것”이라고 말했다. 그는 “관련 과학의 발달은 뇌 회복을 더 합당한 일로, 장기기증을 덜 합당한 일로 여기게 할 것”이라며 “두 조치 사이에서 (혼란을 줄이고) 합리적인 결정을 내리게 하려면 정책결정자, 신경과학자, 환자 등이 참여하는 논의가 필요하다”고 말했다. 

윤신영동아사이언스기자 ashilla@donga.com

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돼지 뇌세포, 몸과 분리된 채 6시간 생존

예일대 연구팀 실험 '충격'

돼지의 목을 따서 돼지 뇌를 분리한 뒤, 적당한 조건을 만족시키는 장치에 보관했다. 그랬더니 놀랍게도 돼지 뇌는 무려 6시간 동안 살아있었다고 ‘MIT테크놀로지 리뷰’가 26일 보도했다.

이번 결과는 실험실에서 뇌를 어떻게 손상되지 않게 보관할 수 있을 지에 대한 새로운 방법을 제공하고 있다. 그러나 좀 더 확대하면 인간의 두뇌도 역시 몸과 분리된 상태에서 산 채로 유지될 수 있다는 가능성을 보여준 것이어서 소름을 돋게 한다.

MIT 테크놀로지 리뷰는 지난 3월 28일 뇌과학 분야에서 제기되는 윤리적 문제를 논의하기 위해 미국 국립보건원(NIH)에서 열린 회의에서 나온 대화 내용을 전하고 있다.

이 회의에서 예일대 뇌 과학자인 네나드 세스탄(Nenad Sestan)은 돼지 뇌를 대상으로 한 실험내용을 설명했다. 세스탄 연구팀은 도살장에서 잡은 100마리에서 200마리 정도의 돼지 뇌를 가지고 실험했다. 펌프, 히터, 인공혈액 주머니 등을 이용해서 도살한 돼지에서 꺼낸 뇌의 혈액순환을 유지했다.

- 돼지 두뇌

실험에서 몸뚱아리에서 분리된 돼지 뇌가 의식을 회복했는지에 대한 증거는 없었지만, 세스탄 연구팀은 전혀 예상하지 못한 결과를 얻었다. 수십 억 개의 개별 세포들은 건강하게 정상적인 활동을 할 수 있음이 발견된 것이다.

MIT테크놀로지 리뷰 기자의 전화에 세스탄은 학술 저널에 제출한 내용에 대해서 더 이상 공개적으로 이야기하고 싶지 않다고 답변했다.

인공혈액 주머니에 넣어 인공펌프로 산소공급 

그러나 지난 봄 부터 과학자들과 바이오 윤리학자들은 예일 대학 연구팀의 결과를 놓고 폭넓은 논의를 벌여왔다. 예일 대학팀의 연구는 뇌 깊숙이 있는 실핏줄에서의 산소의 미세 흐름을 회복시키는데 대한 획기적인 내용을 포함하고 있기 때문이다.

과학자들은 돼지 뇌가 손상됐을 수 있지만, 세포가 살아있다면 살아있는 기관이라는 견해를 보였다. 윤리학자들이 우려하는 것은 심장이나 허파를 이식하기 위해 적출하듯이 이 기술이 죽음을 피하기 위한 기술로 잘 못 인식될 수 있다는 점이다. 다시 살기 위해 뇌를 냉동시키는 대신 자신의 뇌를 이식할 몸을 찾아달라는 요구를 할 수도 있다.

그러나 현재로서는 두뇌를 새로운 몸에 이식하는 것은 가능하지 않다고 브로드 연구소(Broad Institute)의 정신의학자인 스티브 하이먼 (Steve Hyman)소장은 말했다.

예일 대학 연구팀이 고안한 이 브레인엑스(BrainEx) 시스템은 루프형 튜브와 붉은 액체가 흐르는 작은 저수조로 구성되어있다. 이 붉은 액체는 돼지 뇌 깊숙이 산소를 공급하게 해 준다.

미국 국립보건원 설명에서 세스탄은 이 기술이 영장류를 포함한 모든 종류의 동물에게 가능할 것이라고 말했다. 예일 대학 연구팀은 4년전부터 인간 두뇌 세포 사이의 통합적인 연결지도를 작성하기 위해 이 연구를 시작했다. 이런 뇌 연결지도는 손상되지 않은 기관을 좀 더 쉽게 추적할 수 있게 해 준다.

돼지 뇌를 몸뚱아리 외부에서 세포가 살아있는 상태로 보관하는 기술은 의학계에 큰 관심을 불러 일으키고 있다. 이 같은 기술을 사람에게 적용하는 연구를 시작할 것인지에 대해서 법적 윤리적 문제를 불러 일으킬 것이다.

* 죽음에 대한 연구에 도움이 되는 글

<두뇌, 죽어도 죽지 않는다>

<두뇌는... 죽지 않는다>

<랍스터는 왜 죽지 않기로 결심했나?>

<영원히 사는 단세포는 왜 죽음을 각오하고 다세포가 되었나?>

<심정지 후 90분간>

 <좌뇌연결이 끊어진 사람이 묘사한 우뇌현상>* 죽음을 이해하는데 도움이 됩니다.

Immunofluorescent stains for neurons (green), astrocytes (red), and cell nuclei (blue) in a region of the hippocampus of a pig’s brain left untreated 10 hours after death (left) or subjected to perfusion with the BrainEx technology. Ten hours postmortem, neurons and astrocytes undergo cellular disintegration unless salvaged by the BrainEx system. (Image credit: Stefano G. Daniele & Zvonimir Vrselja; Sestan Laboratory; Yale School of Medicine)

왼쪽은 죽은 돼지의 뇌, 오른쪽은 4시간이 지난 뒤 인공혈액을 주입하자 나타난 활성 모드. 초록색이 활성지수를 나타낸다.

Circulation and cellular activity were restored in a pig’s brain four hours after its death, a finding that challenges long-held assumptions about the timing and irreversible nature of the cessation of some brain functions after death, Yale scientists report April 17 in the journal Nature.

The brain of a postmortem pig obtained from a meatpacking plant was isolated and circulated with a specially designed chemical solution. Many basic cellular functions, once thought to cease seconds or minutes after oxygen and blood flow cease, were observed, the scientists report.

“The intact brain of a large mammal retains a previously underappreciated capacity for restoration of circulation and certain molecular and cellular activities multiple hours after circulatory arrest,” said senior author Nenad Sestan, professor of neuroscience, comparative medicine, genetics, and psychiatry.

However, researchers also stressed that the treated brain lacked any recognizable global electrical signals associated with normal brain function.

At no point did we observe the kind of organized electrical activity associated with perception, awareness, or consciousness.

zvonimir vrselja

“At no point did we observe the kind of organized electrical activity associated with perception, awareness, or consciousness,” said co-first author Zvonimir Vrselja, associate research scientist in neuroscience. “Clinically defined, this is not a living brain, but it is a cellularly active brain.”

Cellular death within the brain is usually considered to be a swift and irreversible process. Cut off from oxygen and a blood supply, the brain’s electrical activity and signs of awareness disappear within seconds, while energy stores are depleted within minutes. Current understanding maintains that a cascade of injury and death molecules are then activated leading to widespread, irreversible degeneration.

However, researchers in Sestan’s lab, whose research focuses on brain development and evolution, observed that the small tissue samples they worked with routinely showed signs of cellular viability, even when the tissue was harvested multiple hours postmortem. Intrigued, they obtained the brains of pigs processed for food production to study how widespread this postmortem viability might be in the intact brain. Four hours after the pig’s death, they connected the vasculature of the brain to circulate a uniquely formulated solution they developed to preserve brain tissue, utilizing a system they call BrainEx. They found neural cell integrity was preserved, and certain neuronal, glial, and vascular cell functionality was restored.

The new system can help solve a vexing problem — the inability to apply certain techniques to study the structure and function of the intact large mammalian brain — which hinders rigorous investigations into topics like the roots of brain disorders, as well as neuronal connectivity in both healthy and abnormal conditions.

“Previously, we have only been able to study cells in the large mammalian brain under static or largely two-dimensional conditions utilizing small tissue samples outside of their native environment,” said co-first author Stefano G. Daniele, an M.D./Ph.D. candidate. “For the first time, we are able to investigate the large brain in three dimensions, which increases our ability to study complex cellular interactions and connectivity.”

While the advance has no immediate clinical application, the new research platform may one day be able to help doctors find ways to help salvage brain function in stroke patients, or test the efficacy of novel therapies targeting cellular recovery after injury, the authors say.

The research was primarily funded by the National Institutes of Health’s (NIH) BRAIN Initiative.

“This line of research holds hope for advancing understanding and treatment of brain disorders and could lead to a whole new way of studying the postmortem human brain,” said Andrea Beckel-Mitchener, chief of functional neurogenomics at the NIH’s National Institute of Mental Health, which co-funded the research.

The researchers said that it is unclear whether this approach can be applied to a recently deceased human brain. The chemical solution used lacks many of the components natively found in human blood, such as the immune system and other blood cells, which makes the experimental system significantly different from normal living conditions. However, the researcher stressed any future study involving human tissue or possible revival of global electrical activity in postmortem animal tissue should be done under strict ethical oversight.

Everyone agreed in advance that experiments involving revived global activity couldn’t go forward without clear ethical standards...

stephen latham

“Restoration of consciousness was never a goal of this research,” said co-author Stephen Latham, director of Yale’s Interdisciplinary Center for Bioethics. “The researchers were prepared to intervene with the use of anesthetics and temperature-reduction to stop organized global electrical activity if it were to emerge. Everyone agreed in advance that experiments involving revived global activity couldn’t go forward without clear ethical standards and institutional oversight mechanisms.”

There is an ethical imperative to use tools developed by the Brain Initiative to unravel mysteries of brain injuries and disease, said Christine Grady, chief of the Department of Bioethics at the NIH Clinical Center.

 “It’s also our duty to work with researchers to thoughtfully and proactively navigate any potential ethical issues they may encounter as they open new frontiers in brain science,” she said.