비용이 100배나 절감되었습니다! 비영리 단체인 E11 Bio는 뇌의 수백만 개 세포 간 연결을 매핑하는 새로운 방법을 개발했습니다.

인간의 뇌는 알려진 우주에서 가장 복잡한 구조 중 하나입니다. 이는 약 1,000억 개의 뉴런으로 구성되어 있으며, 각 뉴런은 수천 개의 시냅스를 통해 다른 뉴런과 연결되어 상상할 수 없을 정도로 복잡한 네트워크를 형성합니다. 이 네트워크는 우리의 신체를 제어할 뿐만 아니라, 우리의 생각, 감정, 의식을 형성합니다. 단순한 반사작용부터 심오한 철학적 성찰까지, 뇌의 모든 기능은 놀라운 복잡성을 보여줍니다.

수십 년간 뇌에 대한 집중적인 연구에도 불구하고, 뇌의 신비에 대한 우리의 이해는 여전히 피상적입니다. 2021년에Science가 발표한 세계에서 가장 첨단적인 과학 이슈 125개 중 16개가 뇌과학과 밀접한 관련이 있습니다.이러한 질문은 뇌의 구조와 기능이 어떻게 함께 작동하는지와 같은 문제의 핵심을 짚어냅니다. 복잡한 신경망은 어떻게 행동과 인지를 형성할까요? 이러한 풀리지 않은 미스터리는 뇌 과학 연구의 심오한 과제를 보여줄 뿐만 아니라, 뇌의 작동 메커니즘을 탐구하려는 인류의 절실한 열망을 반영하기도 합니다.

동시에 뇌 관련 질환이 전 세계적인 과제가 되고 있습니다. 우울증, 알츠하이머병, 파킨슨병 등 뇌질환으로 인한 사회적 부담은 해마다 증가하고 있습니다. 그러나 현재 이러한 질병에 대한 예방 및 치료 옵션은 여전히 제한적입니다. 이러한 한계로 인해 과학계에서는 투자를 늘리고, 뇌 질환의 발생 및 발달 메커니즘에 대한 심층 분석을 실시하여 환자에게 더욱 정확하고 효율적인 치료 옵션을 제공해야 합니다.

이러한 배경 하에 E11 Bio는 2022년에 탄생했습니다. 최초의 비영리 집중 연구 기관(FRO)으로서,E11 Bio는 풀스택 뇌 구조 매핑 기술 구축에 전념하고 있습니다.과학자와 의학 연구자들에게 뇌의 복잡한 구조와 기능을 밝혀낼 수 있는 강력한 도구를 제공합니다.

E11 Bio 공식 웹사이트:
https://e11.bio/

E11 Bio: 과학을 활용해 뇌의 신비를 밝히는 최첨단 팀

2017년에는 획기적인 과학기술의 발전을 지원하고 핵심 사회문제를 해결하기 위해전 구글 CEO 에릭 슈미트와 그의 아내 웬디 슈미트는 자선 사업인 슈미트 퓨처스를 설립했습니다.이 프로그램은 최첨단 연구에 자금을 지원하고 자금을 지원하여 글로벌 과학과 기술의 획기적인 발전을 촉진하는 것을 목표로 합니다.

슈미트 퓨처스가 계속 성장함에 따라 회사의 비전은 더욱 집중되고 있습니다. 2021년에 Convergent Research라는 새로운 조직이 FRO를 만들고 지원하는 데 중점을 둔 독립 비영리 단체로 분리되었습니다. 이러한 FRO는 과학 연구 커뮤니티의 스타트업과 같습니다.CEO가 연구 자금이나 상용화 압박에 대한 걱정 없이 연구에만 전념할 수 있는, 특정 목표에 집중하는 팀으로 구성되어 있습니다.

생명공학 회사 E11 Bio는 비영리 형태로 운영되는 최초의 FRO입니다. 2022년에 설립되었으며 캘리포니아주 알라메다에 본사를 두고 있습니다. 공동 창립자이자 CEO는 앤드류 페인입니다. 그는 공간 및 분자적 방법의 최전선에서 광범위한 경험을 가지고 있습니다.그는 초고해상도 현미경과 유전체학, 전사체학, 단백체학에 대한 공간적 분해능 연구에 특히 능숙합니다.

앤드류 페인은 토론토 대학교에서 공학물리학을 공부한 후 MIT에서 에드 보이든의 그룹에 박사과정 학생으로 합류하여 포유류 뇌 수준에서 신경 회로 구조를 매핑하는 기술 개발에 집중했습니다. 박사과정 동안,그는 원래 4가지 색상이었던 현미경 이미징을 40억 개의 디지털 색상으로 확장하는 혁신적인 공간 분해능 분자 현미경 기술을 개발했습니다.이 기술은 뇌 구조를 정확하게 매핑하는 데 새로운 관점을 제공합니다. 관련 논문은 "현장 게놈 시퀀싱을 통해 손상되지 않은 생물학적 샘플의 DNA 서열과 구조를 밝혀냈다"라는 제목으로 Science에 게재되었습니다.

서류 주소:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aay3446

앤드류 페인 외에도 E11 Bio 팀은 수석 신경해부학자 요한 위너브스트, 광 연결체학 전문가 줄리아 미칼스카와 휴고 담스트라, 머신 러닝 과학자 아를로 셰리던 등 많은 유명 과학자로 구성되어 있습니다.

팀의 운영은 최고운영책임자(COO)인 Jun Axup의 강력한 지원을 받고 있다는 점도 언급할 가치가 있습니다. 준 액섭은 이전에 세계적인 생명 과학 엑셀러레이터인 인디바이오(IndieBio)의 최고 과학 책임자 겸 파트너였으며 박사 학위를 취득했습니다. 스크립스 연구소에서 화학생물학 박사 학위를 받았습니다.그녀는 면역 종양학, 단백질 공학, 실험실 자동화 로봇 공학, CRISPR 및 정밀 의학 분야에서 광범위한 기업가적 경험을 가지고 있습니다.그리고 2개의 스타트업을 공동 창립했습니다. 그녀는 인간의 건강한 수명을 늘리고, 뇌의 신비를 풀고, 기후 변화라는 세계적 과제를 해결하는 데 열정을 쏟고 있습니다.

E11 Bio의 설립은 비영리 연구 모델에 대한 새로운 탐구를 의미할 뿐만 아니라, 주요 과학적 문제를 해결하기 위한 전례 없는 혁신적 경로를 제공합니다.

PRISM 기술 출시: 전뇌 연결체 혁명을 주도하는 새로운 엔진

E11 Bio는 창립 이래개방적이고 확장 가능한 단일 세포 뇌 매핑 기술 플랫폼을 구축하는 데 전념하고 있습니다.목표는 이 기술을 DNA 시퀀싱만큼 접근하기 쉽게 만들어 모든 신경과학자가 사용할 수 있도록 하는 것입니다. 2년간의 지속적인 노력 끝에 E11 Bio는 뇌 과학 연구에서 중요한 획기적인 성과를 거두었습니다.

12월 3일, E11 Bio는 PRISM 기술 출시를 발표했습니다.이 기술은 E11 Bio가 크릭 연구소의 샘 로드리케스 연구실, 영국 케임브리지에 있는 막스 플랑크 연구소/LMB의 요르겐 콘펠트 연구실, MIT의 에드 보이든 연구실, 하워드 휴즈 의학 연구소(HHMI)와 협력하여 개발했습니다. PRISM의 출현은 전체 뇌 연결체학을 향한 뇌 과학 연구에 새로운 이정표를 세웠습니다.

PRISM 기술의 핵심은 매우 저렴한 비용으로 뇌 전체의 수백만 개 세포 간의 연결을 매핑하는 것입니다.이를 통해 전체 뇌 연결체학 연구가 과일파리와 같은 작은 뇌에서 쥐와 같은 더 복잡한 포유류 뇌로 확장될 수 있었고, 앞으로 인간의 뇌를 탐구할 가능성이 생겼습니다.

구체적으로,PRISM은 분자 주석을 사용한 반복적 염색을 통해 광학 연결체 재구성을 수행함으로써 뇌 이미지 데이터의 품질과 해석성을 크게 향상시킵니다.연구자들은 각 세포에 세포의 정체성(바코드) 역할을 하는 다양한 단백질 조합을 생성하도록 지시합니다. 이러한 바코드는 팽창 현미경 기술과 특수 염색 절차를 사용하여 이미지 데이터에 대한 정확한 주석을 제공합니다. 이 주석은 AI 기반 "자체 수정" 이미지 분할 모델 개발을 더욱 지원하여 수동 교정의 필요성을 크게 줄이고 비용을 약 95%만큼 절감하는 데 성공했습니다.

동시에 PRISM은 다양한 기술적 최적화를 통해 기존 커넥톰 연구의 주요 비용 문제도 해결합니다. 예를 들어, 광시트 현미경과 팽창 현미경을 결합하면 연구자들은 전자 현미경의 1/10 비용으로 비슷한 분해능과 처리량을 얻을 수 있습니다. 또한, GPU 가속 분할 알고리즘(예: 로컬 모양 설명자)을 사용하면 효율성이 더욱 향상되어 분할 비용이 웰컴 트러스트의 추정치보다 10~100배 낮아집니다.이러한 일련의 혁신을 통해 전체 뇌 연결체학의 전체 비용이 최소한 100배까지 줄어들 것으로 예상됩니다.
* 웰컴 트러스트(Wellcome Trust)는 영국 런던에 본사를 둔 생물의학 연구 자선 단체입니다. 1936년에 설립되었으며, 사람과 동물의 건강을 개선하기 위해 전 세계의 의학 및 생물학 연구에 자금을 지원하는 것을 목표로 합니다.

PRISM 기술은 뇌과학 연구의 한계를 낮출 뿐만 아니라, 인간에 더 가까운 인공지능 개발, 뇌 질환 치료, 인간 뇌 회로 시뮬레이션 등에 결정적인 지원을 제공합니다. 이 기술의 획기적인 결과는 신경과학의 최첨단 발전을 크게 촉진할 것입니다. 보고된 바에 따르면,PRISM 연구의 세부 사항은 논문으로 발표될 예정이며, 사전 인쇄본은 내년 초에 출시될 예정입니다. 또한, 해당 방법의 베타 버전도 공개될 예정입니다.

인간 뇌의 궁극적 비밀을 밝히는 글로벌 뇌과학 경연대회가 한창이다.

뇌의 신비를 완전히 밝히고, 뇌와 유사한 지능형 기술 개발을 촉진하며, 뇌 질환의 진단과 치료에 대한 새로운 솔루션을 제공하기 위해 각국은 정부 주도로 대규모 과학 연구 프로젝트를 시작했습니다.

2005년 스위스 연방 정부의 지원을 받아 스위스 신경과학자 Henry Markram 교수가블루 브레인 프로젝트는 로잔에 있는 스위스 연방 공과대학에서 시작되었습니다.

2013년에오바마 대통령은 혁신적 신경기술을 통한 뇌 연구(BRAIN) 프로그램을 시작했습니다.미국 국립보건원(NIH)이 주도합니다.

2014년에는 일본 문부과학성과 일본 의학연구개발협의회로부터 총 3억 6,500만 달러의 자금을 지원받았습니다.일본은 또한 10년간의 "질병 연구를 위한 통합 신경기술을 활용한 뇌 매핑"(BRAIN/MINDS) 프로그램을 시작했습니다.

같은 해, 중국 뇌과학 연구자들은 샹산 과학대회에서 중국 뇌과학 계획의 목표, 과제, 실행 가능성에 대해 논의했습니다. 2016년에,중국은 "13차 5개년 계획"에서 "뇌 과학 및 뇌 유사 연구"를 국가 중점 과학기술 혁신 및 공정 프로젝트로 선정하여 "중국 뇌 프로젝트"를 본격적으로 시작했습니다. 2021년에 우리나라의 "뇌과학과 뇌유사 연구" 사업이 정식으로 시작되었습니다.

우리나라의 뇌연구 프로젝트는 비교적 늦게 시작되었지만, 강력한 연구 역량을 보여주었습니다. 예를 들어, 중국과학원 산하 뇌과학 및 지능기술 우수성 센터는 오랫동안 뇌 네트워크와 신경 질환 연구에 전념해 왔으며, 특히 영장류 모델 구축에 주력해 왔으며 이 분야에서 국제적인 선두주자입니다.

예를 들어, 청화대학, 베이징대학, 복단대학, 산둥대학 등의 대학은 신경망 모델링, 뇌 질환 메커니즘, 뇌 유사 인공지능 등의 분야에 초점을 맞춘 전문 뇌과학 연구센터를 설립했습니다. 또한, 중국 최초의 종합적 뇌과학 연구기관인 상하이 뇌과학 및 뇌모사 연구센터는 대규모 뇌 매핑과 뇌 질환 연구에 집중하여 이 분야에 강력한 지원을 제공하고 있습니다.

전 세계적으로 뇌과학 연구가 한창 진행 중이고 AI 기술이 깊이 통합되어 있기 때문에 미래의 뇌과학 연구는 뇌 유사 컴퓨팅, 뇌 질환 치료, 지능형 기술 혁신 분야에서 획기적인 발전을 이루어 사회적 진보를 촉진하고 인간의 웰빙을 개선하는 데 중요한 기여를 할 것으로 믿을 만한 이유가 있습니다.

참고문헌:
1.https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9568407/
2.https://www.fastcompany.com/90684882/these-focused-research-organizations-are-taking-on-gaps-in-scientific-discovery
3.https://indiebio.co/team/jun-axup/
4.https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/ar