시력을 잃은 사람들의 희망, 인공 신경회로

특수안경의 개발로 색각 이상을 갖고 태어난 사람들에게는 다양한 색을 볼 수 있는 기회가 생겼다. 앞으로 과학은 우리가 상상해왔던 일들을 가능하게 해 줄 것이며, 시각 신경세포에서 감지한 전기적 신호가 뇌로 전달되는 과정 시각 신호 전달 회로에 대한 활발한 연구로 시각 장애를 갖고 있는 사람에게도 희망적이 날이 다가오고 있다.   

 

건네받은 안경을 쓴 한 젊은 남성이 아들의 그림을 보고는 눈물을 흘린다. 이어 남성은 "이렇게 다양한 색이 있는 줄 몰랐다"며 "멋진 그림"이라며 감동을 전한다. 적록색맹을 위한 색보정 안경을 개발한 회사의 광고이다. 많은 사람들이 당연하게 누리는 색의 향연이 색각이상자에게는 그 자체가 감동일 수 있다.

인간의 눈으로 식별할 수 있는 색의 전부 또는 일부를 인식하거나 구분하지 못하는 경우를 '색각이상'이라고 하는데, 이는 망막에 있는 원추세포에 이상이 있을때 나타난다. 색각 이상은 선천적 이상으로 유전적인 경우가 많은데, 남성이 전체의 약 6%, 여성은 약 0.4%로 추정되며 원추세포의 유전자가 X염책체 상에 존재하기 때문에 색맹은 열성유전으로 XY인 남성의 경우 X염색체가 열성이면 색맹이 된다. 선천적으로 발생한 색맹은 현재까지는 치료가 불가능 하다. 이에 색맹을 위한 특수안경이 개발 되었는데 안경을 착용함으로써 색이 보이는 원리는 빨강과 녹색, 파랑 등 원색 사이의 빛 파장을 차단하는 필터를 이용해 색의 경계를 만들어 신경세포가 색을 서로 다르게 인지할수록 돕는다. 색맹인 사람의 원추세포는 빛의 파장에 따른 색을 비슷한 색으로 인식하고 반응한다는 점을 이용하였다. 

 

인공 시각회로 플랫폼의 개발

과학자들은 시각 신경 세포를 전혀 사용할 수 없는 환자를 돕기 위해 약물 치료나 유전공학적 접근, 줄기세포를 이용한 생체이식등 다양한 방식의 시각 복원 기술을 연구하고 있다.한국과학기술연구원 센서시스템연구센터 김재헌 박사팀은 뇌융합기술연구단 김홍남 박사팀은 생체 외 세포 실험으로 인공망막의 시각 기능을 검증할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 인간과 같은 수준의 시각 기능을 갖는 인공 광수용체를 제작하고, 여기에서 생산된 전기적 신호가 다른 신경세포로 전달하는 과정을 확인할 수 있는 인공 시각회로 플랫폼을 개발하였다. 인간의 망막을 구성하는 원추세포는 빨강, 초록, 파란색 세 가지 색감을 구분하는 광수용체 단백질(옵신)을 생산하고, 간상세포는 명암을 구분하는 광수용체 단밸질(로돕신)을 생산한다. 인간의 눈은 외부에서 들어온 빛이 망막에 맺혀 상을 형성하면 시신경을 통해 뇌로 전달되어 사물을 본다. 연구진은 로돕신과 청색 옵신 단백질을 발현하는 스페로이드를 제작했고 이는 다수의 세포가 모여 하나의 구를 이루며 조직화된 세포덩어리를 말한다. 스페로이드를 통해 신경세포의 짧은 수명과 세포가 괴사하는 문제를 극복하여 인공 광수용체 단백질을 발현시키는데 성공했다. 색구분이 가능한 광반응성 스페로이드는 외부에서 받은 빛 정보를 신경신호로 전환해 세포 몸체에서 외부로 신호를 전달하는데 신경세포 다발인 엑손을 따라 방사적으로 신호가 전달된다. 이번연구의 주안점은 인공적으로 제작한 광수용체에서 빛을 받아 생산된 전기적 신호가 다른 매개체로 전달이 가능한지를 검증하기위해 눈을 모사한 광반응성 신경 스페로이드와 뇌를 모사한 일반 신경 스페로이드를 연결해 색을 감지하고 이를 뇌에 전달하는 시신경 회로를 구현했다. 즉 인간의 뇌가 어떤 과정에 의해 시각 신호를 인지하는지, 즉 자극받은 조직에서 감각을 느끼는 조직으로 전달되는 신호의 과정의 탐색할 수 있는 시각신호 전달 모델을 만든 것이다. 

 

신경 스페로이드와 인공 광수용체를 체외에서 결합한것은 이번 연구에서 처음으로 이루어졌으며, 연구진은 "신경 스페로이드 자체는 이미 많이 상용화되어있는 세포를 뭉치는 기술이지만, 기존에 연구되었던 단순 신경 스페로이드 또는 오가노이드 배양이 아닌 광수용체가 발현된 신경 스페로이드와 단순 스페로이드 사이에 회로를 구성해 시신경을 구현했다는 것이 기존 연구와의 차별성"이라고 전했다. 또한 인공 광수용체의 시각 신호 전달 가능성을 다각적으로 검증함으로써 동물실험 의존을 줄이고 연구비용을 절감할 수 있는 플랫폼이라며 앞으로는 인간이 볼 수 있는 모든색을 인식할 수 있는 스페로이드가 생산되어 시각 관련 질환 및 치료에 대한 테스트 키트로 발전할 것이다. 먼 미래에는 인간 망막 내 세포들을 자유자재로 생산하고 세포층까지 구현해 시각 손상이 심한 분들에게 이식을 통한 치료가 제공 될 것이다.

 

요즘 시대에는 시각 장애인을 위한 AI안경 등 다양한 제품들이 개발되어 장애를 가지고 있는 사람들의 생활속에서 눈과 귀가 되어주는 등 편리성을 제공해주고 있다. 신경 스페로이드와 시신경, 광수용체 단백질에대한 연구가 더 활발해져 시각 장애를 가지고 있는 분들에게 희망적인 일들이 일어날 수 있는 날들이 조금더 가까워지기를 바래본다.