How We're Reverse Engineering the Human Brain in the Lab | Sergiu P. Pasca | TED

번역: Bohyun Ahn 검토: 한나 최

How does the human brain build itself?

인간의 뇌는 어떻게 스스로를 구성할까요?

How do circuits in the human brain

인간의 뇌에 있는 회로들은

wire together?

서로 어떻게 연결되어 있을까요?

For instance, how does one tiny neuron in the outer layer of the brain

예를 들어, 뇌의 테두리에 있는 한 작은 뉴런이

send a thin axon all the way to the spinal cord,

어떻게 얇은 축삭을 척수까지 보내고

find the right neuron

올바른 뉴런을 찾아

and then control muscle contraction

근수축을 조절해

as we extend a hand and grasp a glass of water?

우리가 손을 뻗어 컵을 잡고 물을 마실 수 있게 할까요?

I'm here to tell you

우리가 마침내

that we can finally grow parts of the human brain

어떤 사람으로부터든 뇌의 일부를 배양할 수 있게 되었고,

from any individual

실험실의 세포 배양 접시에서

and then build functioning human circuits

제 기능을 하는 인간 회로를 만들 수 있게 되었다고

in a laboratory cell culture dish.

여러분들에게 말씀드리고자 이곳에 왔습니다.

These clumps of neural tissue are known as brain organoids.

이러한 신경 조직들의 덩어리는 뇌 유기체입니다.

And when we put them together to form circuits, they become “assembloids.”

뇌 유기체들이 모여 회로를 이루면 “어셈블로이드”가 되죠.

Assembloids could be key to understanding how the human brain is built.

어셈블로이드는 인간의 뇌를 이해하는데 필요한 중요한 열쇠일 수 있어요.

Today, most of what we know about the human brain

오늘날 인간의 뇌에 대해 우리가 알고 있는 대부분은

comes from studies in animals, typically mice.

동물 연구를 통해 밝혀졌습니다. 주로 쥐 연구죠.

And while we've learned a lot from these animal brains,

동물의 뇌를 통해 많은 것을 알게 됐지만

the characteristics that make the human brain unique,

인간의 뇌를 독특하게 해주는,

and uniquely susceptible to disease,

그래서 유독 질병에 취약하게 만드는 그 특성들은

remain mysterious.

아직까지도 알 수 없습니다.

I’m a physician by training and a professor at Stanford,

저는 트레이닝을 받은 의사이자 스탠포드의 교수입니다.

where my laboratory has been taking unconventional approaches

제 연구실은 인간의 뇌가 어떻게 발달하는지,

to study how the human brain develops,

뇌 관련 질병들이 어떻게 유발되는지,

how disorders in the human brain arise

그리고 새 치료법을 어떻게 찾는지를 연구하기 위해

and find new ways of treatment.

색다른 접근을 하고 있습니다.

I think the best way to explain, though, how we do this

가장 설명하기 좋은 방법은 이것인거 같네요.

is through the eyes of one of my patients.

제 환자 중 한 명의 눈을 통해 하고 있습니다.

When I opened my lab at Stanford,

제가 스탠포드에서 처음 실험실을 열었을 때,

Eduard, who's on the autism spectrum,

자폐를 앓고있는 에드워드는 저에게

sent me this drawing

이 그림을 보냈습니다.

depicting how he thought we were studying brain disorders.

저희의 뇌질환 연구를 그가 어떻게 생각하는지 묘사한 그림이죠.

Now to paraphrase him, he said,

그의 말을 요약해 표현하자면 이러했습니다.

"What I think you're doing is you're climbing up a ladder,

“당신은 사다리를 타고 올라가서

poking holes in people's brains

사람들의 뇌에 구멍을 뚫은 다음

and then use tiny telescopes to watch neural cells."

작은 망원경을 이용해 신경 세포를 관찰하고 있는 것 같아요.”

Of course, that's not what we do.

당연히 저희가 하고 있는 건 그런 게 아니었죠.

So I called him up, explained the process,

그래서 저는 그에게 전화를 걸어 절차를 설명했고,

and then the next morning he sent me another drawing,

다음 날 아침 그는 또 다른 그림을 보내왔습니다.

which I think ended up being a quite accurate representation

이 그림이 저희와 다른 많은 사람들이 현재 하고 있는 일을

of the work that we and many others now are doing.

꽤 정확하게 표현했다고 전 생각합니다.

Again, to paraphrase him, he said,

다시, 그의 말을 요약해 말하자면

"You're taking skin cells

“당신은 특정 뇌질환이 있는 환자들의

from patients that have specific brain disorders,

피부 세포를 채취한 다음

then doing some mumbo jumbo to the cells

세포들에게 어쩌고 저쩌고 한 후

to push them back in time

제 시간에 다시 밀어넣어

and turn them into stem cells."

줄기세포로 바꾸는 일을 하고 있어요.”

And then he knew that stem cells can be coaxed to become any cell type.

그리고 그는 줄기세포가 아무 세포로 분화할 수 있다는 것을 알았습니다.

“So then you’re taking them and turning them into brain cells

“그렇다면 당신은 줄기 세포들을 가져와 뇌 회로를 형성하는

that form brain circuits.”

뇌 세포로 바꾸는 것이네요.”

That's right. We can build human brain circuits in a dish.

맞습니다. 우리는 배양 접시에서 사람의 뇌 회로를 만들 수 있죠.

How is that possible?

그게 어떻게 가능할까요?

Building on the hard work of biologists over the past 15 years or so,

지난 15년 이상의 생물학자들의 노고를 통해

we can today take any cell type from any individual

오늘날 우리는 그 누구의 어떤 세포든 모두 추출해

and then push it back in time to turn them into stem cells

다시 시간을 돌려 줄기 세포로 만들고

and then guide those stem cells to become any other cell type.

다른 세포로 바뀔 수 있게 안내할 수 있게 되었습니다.

We start by asking a patient to provide a small skin sample.

환자에게 작은 피부 샘플 제공을 요청하는 것부터 시작합니다.

We then take those skin cells,

저희는 그 피부세포를 추출해

reprogram them by putting a series of genetic factors

일련의 유전인자를 넣어 재프로그래밍하고

and push them back in time

시간을 되돌려

so that those skin cells become stem cells.

그 피부세포가 줄기세포가 되도록 합니다.

It's like cellular alchemy.

세포 연금술 같은 거죠.

These stem cells have almost magical abilities

이 줄기세포들은 다른 어떤 세포로도 변할 수 있는

to turn into any other cell type.

마법의 능력을 가지고 있습니다.

So what do we do?

그래서 우리는 어떻게 해야 할까요?

We take the stem cells, we dissociate them,

우리는 줄기세포를 추출하여 분리한 다음,

we then aggregate them

그것들을 모아

so that they form spheres or tiny balls of cells.

구 또는 작은 세포덩어리를 형성하도록 합니다.

We then take those, move them into a special plate

그런 다음 이것을 가져가 화학물 수프 같은 것이 있는

where there is a kind of chemical soup.

특별한 접시로 옮기죠.

And that chemical soup will allow them to grow

작은 세포덩어리가 자라고 변형된 후

and transform and turn into a brain organoid.

뇌 유기체로 변할 수 있게 그 화학 수프가 도와줄 겁니다.

By providing different cues, we can turn this brain organoid

다른 신호를 제공함으로써, 우리는 이 뇌 유기체를

to resemble specific regions of the central nervous system.

중추신경계의 특정 영역과 비슷하게 만들 수 있습니다.

For instance, we have a recipe

예를 들어, 우리는

that allows them to become a cerebral cortex,

유기체가 대뇌피질, 즉 뇌의 바깥층이 되도록 하는 레시피를

the outer layer of the brain.

가지고 있습니다.

By using a slightly different combination of factors,

요소들의 약간 다른 조합을 사용함으로써,

we can turn them into a spinal cord.

우리는 그것들을 척수로 바꿀 수 있죠.

The secret to this process is careful guidance.

이 과정의 비결은 세심한 유도입니다.

In the end, they look like this.

모든 절차 끝엔 이렇게 돼요.

Tiny clusters of brain cells at the bottom of a dish.

접시의 바닥에 있는 뇌세포의 작은 덩어리들처럼요.

And let me be clear.

그리고 확실히 해두죠.

This are not brains in a jar.

이것은 병에 든 뇌가 아닙니다.

(Laughter)

(웃음)

These are parts of the nervous system in a laboratory dish.

이것들은 실험용 접시에 있는 신경계의 일부입니다.

Each of them contains millions of cells,

각각의 덩어리에는 수백만 개의 세포가 있으며,

and we can even listen as they fire electrical signals.

심지어 덩어리들이 전기 신호를 보낼 때 그 소리를 들을 수 있습니다.

(Electrical signals firing)

(전기 신호 발생)

Or we can watch them

또는 전기 활동으로 인해

as they sparkle with electrical activity.

반짝이는 빛이 나는 걸 볼 수도 있습니다.

Or we can image inside and watch the cells as they communicate with each other.

혹은 내부를 형상화해 세포가 서로 소통하는 모습을 관찰할 수도 있죠.

Isn't it remarkable to think that just a few months ago

불과 몇 달 전만 해도 이 세포들이 환자의 피부 세포였고,

these cells were skin cells in a patient,

지금은 우리가 쉽게 연구할 수 있는

and now they are neural cells at the bottom of a dish

실험용 접시의 바닥에 있는 신경 세포라는 게

that we can study at ease.

놀랍지 않나요?

(Applause)

(박수)

Thank you.

감사합니다.

So with these models of brain growth,

이러한 뇌 발달 모델을 통해

we started wondering: Could we use them to start to understand disease?

저희는 궁금증이 생겼습니다: 질병의 이해를 위해 사용할 수는 없을까요?

So for instance, we wanted to know,

예를 들어, 저희는 낮은 산소가

could we understand how low oxygen impacts the brains of premature babies?

미숙아의 뇌에 어떤 영향을 끼치는지 알고 싶었습니다.

So to do this, we took brain organoids and put them in a special incubator.

알아내기 위해 저희는 뇌 유기질을 추출해 특별한 배양기에 넣었어요.

We then lowered the concentration of oxygen and watched them.

그 후 산소 농도를 낮추고 유기질을 관찰했습니다.

We discovered something quite interesting.

꽤 흥미로운 것을 발견했죠.

Only one specific cell type was affected by the low oxygen.

오직 하나의 특정한 세포 유형만이 낮은 산소의 영향을 받는다는 것을요.

That cell type is responsible for the expansion of the human cortex.

그 세포는 인간 피질의 확장에 기여는 유형이었습니다.

We found exactly how that happens

저희는 그것의 정확한 원인을 알아냈고

and even found the drug that could prevent that process.

심지어 그 과정을 막을 수 있는 치료제도 찾아냈습니다.

These clumps of three-dimensional tissue

이 3차원의 조직 덩어리들은

can be grown in a dish for years.

접시에서 몇 년 동안 자랄 수 있습니다.

In fact, we've maintained the longest cultures

사실, 저희는 800일이 넘도록 배양하고 있고

that have been reported to date, going beyond 800 days.

이는 역사상 가장 긴 기록입니다.

At nine to 10 months, which is the equivalent of birth,

출산시 소요되는 것과 동일한 약 9개월에서 10개월쯤이 되었을 때,

they slowly transitioned, and they started to resemble the postnatal brain.

조직 덩어리들은 서서히 변화했고, 산후의 뇌를 닮기 시작했습니다.

We have discovered a brain clock

저희는 접시와 자궁 밖에서

which keeps track of time in a dish and outside of the uterus.

시간을 추적하는 뇌 시계를 발견했습니다.

Understanding the molecular mechanisms that underlie this brain clock

이 뇌시계의 기초가 되는 분자 메커니즘을 이해하는 것은

could be key to finding new strategies

인간의 뇌세포를 가속, 감속, 또는 회춘시키는

to either accelerate or decelerate or rejuvenate human brain cells.

새로운 전략을 찾는 데 열쇠가 될 수 있습니다.

The work that I've shown you so far

제가 지금까지 보여드린 연구는 선구적입니다.

is pioneering not just because of what it teaches us

우리에게 인간의 뇌에 대해

about the human brain,

가르쳐줄 뿐만이 아니라

but also because of the frontiers of ethics.

윤리의 경계를 발전시켜주기 때문이죠.

Organoids and assembloids are not full replicas of the human brain.

유기질과 어셈블로이드는 인간 뇌의 완전한 복제품이 아닙니다.

They're not brains in a jar. They're not minibrain.

병 안에 든 뇌가 아니며 작은 뇌 또한 아니죠.

They're not some stepping stone to a Frankenstein monster.

프랑켄슈타인 괴물의 발판도 아닙니다.

They have no blood flow,

혈류도 없고,

they receive no meaningful inputs and outputs.

의미있는 입력과 출력을 받지도 못합니다.

But at one point, they may become more complex.

하지만 어느 순간 더 복잡해질 수도 있습니다.

At one point, they may receive sensory input.

어느 순간, 감각을 입력 받을 수도 있죠.

So as the science advances,

그래서 과학이 발전함에 따라,

we in the scientific community have been very careful

우리는 과학 학계의 한 일원으로써 윤리적인 문제들, 사회적 영향들,

about discussing what are some of the ethical questions,

그리고 잠재적인 규제들에 대해

the societal implications and potential regulations.

매우 신중하게 토의하였습니다.

Most of the work that I’ve shown you so far

제가 여러분께 지금까지 보여드린 대부분의 연구는

has been in one specific brain region.

한 특정 뇌 영역에 관한 연구였습니다.

But to really understand circuits,

하지만 회로를 정말로 이해하기 위해선

we actually need to build more complicated brain circuits.

실제로 더 복잡한 뇌 회로를 만들어야 합니다.

And so to do this, six years ago,

그래서 저희는 6년 전에

we came up with a new approach to build human circuits

어셈블로이드라고 불리는 인간 회로를 만드는 새로운 접근법을

called an assembloid.

생각해냈습니다.

Assembloids are essentially blocks of tissue

어셈블로이드는 기본적으로 실험용 접시에

that we build in a dish from multiple organoids put together.

여러 유기체를 함께 넣어 만든 조직 덩어리들입니다.

When we put two brain organoids together,

두 개의 뇌 유기질을 합쳤을 때

we discovered something really fascinating.

정말 흥미로운 것을 발견했어요.

First, they fused to each other.

우선, 유기질들이 서로 융합했습니다.

But then they started to communicate,

하지만 그 후 소통을 하기 시작했고,

and brain cells from one side

한쪽의 뇌세포가

started to slowly migrate onto the other side

다른 쪽으로 천천히 이동하기 시작했습니다.

and form circuits,

그 다음 실제 뇌에서처럼

much like they would in the actual brain.

회로를 형성했어요.

In fact, we can even watch them live as they move from one side to the other.

심지어 한 쪽에서 다른 쪽으로의 이동을 실시간으로 볼 수 있죠.

I still remember how we were in the lab in absolute awe

저는 아직도 인간의 세포가 어떻게 이 특이한 점프 행동을 겪는지

when we saw for the first time

처음 봤을 때

how human cells undergo this peculiar jumping behavior.

연구실에서 느꼈던 경외감을 기억합니다.

This is all fascinating, but what is it actually good for?

모두 흥미로워요. 하지만 무엇을 위해 쓰이면 좋을까요?

Dysfunction in the human brain causes brain disorders,

인간의 뇌 기능 이상은 자폐증, 정신분열증, 알츠하이머병과 같은

such as autism and schizophrenia and Alzheimer's disease,

뇌 장애를 일으킵니다.

devastating conditions that are poorly understood.

아직 잘 이해되지 못한 파괴적인 질병들이죠.

Nearly one in five individuals suffers from a psychiatric disease.

거의 다섯 명 중 한 명이 정신 질환을 앓고 있습니다.

What is even more striking

더욱 놀라운 것은

is that the lowest success rate for finding new drugs

모든 의학 분야 중에서 신약 개발 성공률이 가장 낮은 분야가

is in psychiatry, out of all the branches of medicine,

바로 정신의학 분야라는 것입니다.

likely because until now we couldn't really access the human brain.

아마 지금까지 인간의 뇌에 접근할 수 없었기 때문일 겁니다.

Using brain organoids and assembloids,

뇌 유기질과 어셈블로이드를 사용한다면

we can create avatars for a patient's brain development

우리는 환자의 뇌 발달을 위한 아바타를 만든 후

and then use those to dissect the molecular mechanism of disease.

그 아바타를 이용해 질병의 분자 메커니즘을 해부할 수 있어요.

Let me give you one example.

한 가지 예를 들어보겠습니다.

As you have seen,

여러분이 보셨듯이,

assembloids can be used

어셈블로이드는 뉴런의 건강한 점프 행동을 본뜨는 데

to model this healthy jumping behavior of neurons.

사용될 수 있습니다.

So what we did is we created assembloids from patients with Timothy syndrome,

그래서 저희는 자폐증, 뇌전증과 관련 있는 희귀 유전질환인

which is a rare genetic disease associated with autism and epilepsy.

티모시 증후군을 가진 환자들로부터 어셈블로이드를 만들었습니다.

When we looked inside the assembloids, we noticed something remarkable.

그 어셈플로이드 내부를 들여다봤을 때, 저희는 놀라운 것을 알아챘어요.

The cells were moving much faster,

세포들은 훨씬 더 빠르게 움직이고 있었지만,

but every time they would jump, they would jump a shorter distance.

매번 더 짧은 거리를 뛰었다는 것이죠.

So in the end, they would be left behind.

그래서 결국 그 세포들은 뒤쳐졌어요.

Over the past six years in extensive studies,

지난 6년 동안 심도 깊은 연구를 통해,

we've actually dissected the molecular mechanism of this defect

저희는 실제로 이 결함의 분자 메커니즘을 해부했고

and even found ways of restoring it.

이 결함을 복구하는 방법까지 찾아냈습니다.

And we're excited to be moving towards a potential therapeutic avenue

그리고 내년 쯤엔 잠재적인 치료 방법을 향해

in the next year or so.

나아갈 수 있게 되어 기쁩니다.

(Applause)

(박수)

The premise of organoids and assembloids

유기질과 어셈블로이드의 가능성은

is that they will slowly allow us to gain new insights

우리가 서서히 인간 뇌의 숨겨진 생물학에 대한

into the hidden biology of the human brain.

새로운 통찰을 얻을 수 있게 그것들이 도와줄 것이라는 거예요.

And by doing so,

그럼으로써,

they could revolutionize the way we think about human brain development, evolution,

우리가 인간의 두뇌 발달, 진화, 기능, 질병에 대해 어떻게 생각하는지를

function and disease.

혁명적으로 변화시킬 수 있습니다.

So what's next?

그럼 다음은 뭘까요?

Well, to really be able to gain insight into more complex brain disorders,

더 복잡한 뇌 질환에 대한 진정한 통찰력을 얻기 위해서는,

we need to build more complex circuits.

우리는 더 복잡한 회로를 만들어야 해요.

So in the last minute, let me show you

몇 분 안 남은 지금, 여러분들께

the most complicated circuit we have built to date.

저희가 지금까지 만든 가장 복잡한 회로를 보여드리겠습니다.

The circuit that controls voluntary movement.

수의 운동을 조절하는 회로예요.

To do this, we've created three organoids.

이 회로를 만들기 위해 저희는 세 가지 유기질을 만들었습니다.

One, shown here in purple, that resembles the cortex.

여기 보라색으로 표시된 하나는 피질과 유사해요.

One, in yellow, that resembles the spinal cord,

노란색으로 된 것은 척수와 유사하고

and one, in red, that resembles human muscle.

빨간색은 인간의 근육과 유사합니다.

We then put them together and watched them fuse

세 개를 같이 놓은 후 융합하는 것을 보며

and noticed something really spectacular.

정말 엄청난 것을 알아챘어요.

Neurons on the cortical side started extending axons,

피질쪽 뉴런은 축삭을 확장하기 시작했고,

find spinal motor neurons in the spinal side,

척수쪽에 있는 척수 운동 뉴런을 찾아

connect with them,

연결했습니다.

and then those farther project and connect to muscle.

더 멀리 떨어져있는 뉴런은 투사되고 근육에 연결되었죠.

When we put a light stimulus on the cortical site,

피질 부위에 가벼운 자극을 주었을 때,

we noticed the muscle on the opposite side contract.

반대쪽 근육이 수축하는 걸 저희는 알아챘습니다.

We have modeled for the first time a human cortical motor pathway.

그리고 처음으로 인간의 피질 운동 경로를 모델링했죠.

(Applause)

(박수)

And let me be clear.

그리고 확실히 하자면,

These cells find each other.

이 세포들은 서로를 찾을 수 있습니다.

Unlike in engineering, we don't have a master plan,

공학과는 달리, 저희는 기본 설계를 가지고 있지 않습니다.

we don't provide a plan because the human brain builds itself.

인간의 뇌가 스스로를 구성하기 때문에 저희는 계획을 세우지 않아요.

And then in itself, it's a remarkable opportunity

그리고 이 자체로도, 인간의 두뇌발달의 기초가 되는 단계를

to try to reverse engineer

역설계 해 볼 수 있는

what are some of the steps that underlie human brain development?

놀라운 기회입니다.

I know that this all sounds science fiction,

이 모든 것이 공상과학 소설처럼 들린다는 것을 알지만,

but we now do this routinely in the lab.

이젠 연구실에서 주기적으로 행해지는 일이에요.

We have derived thousands and thousands of organoids and assembloids

우리는 다양한 신경 정신질환을 가진 환자들로부터

from patients with various neuropsychiatric diseases,

수천개의 유기질과 어셈블리로이드를 얻었습니다.

including, for instance,

예를 들어,

infecting them with viruses such as polio virus

질병이 어떻게 발생하는지 이해하기 위해 소아마비 바이러스와 같은 바이러스에

to understand how diseases arise.

그것들을 감염시키는 것을 포함해서요.

The statistician George Box famously said,

통계학자 조지 박스가 한 유명한 말이 있습니다.

"All models are wrong, but some are useful."

“모든 모델은 틀렸지만, 일부는 유용합니다.”

(Laughter)

(웃음)

I do the work that I do

제가 연구를 하는 이유는

because the promise and hope of brain assembloids and organoids

인간의 뇌 회로를 다시 만들 수 있게 함으로써

is that by allowing us to recreate circuits of the human brain,

인간 생물학에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있게 해주는

we will gain new insights into human biology.

뇌 어셈블로이드와 유기질의 가능성과 희망 때문이에요.

And this in itself will open a new era in the treatment of brain disorders.

이것 자체로 뇌 질환 치료의 새로운 시대를 열 것입니다.

Thank you.

감사합니다.

(Applause)

(박수)