생명/의료

세계 최대 전뇌 뉴런 3차원 데이터베이스 구축

발행일 : 2019 / 09 / 17

최근, 둥난(東南)대학 뇌과학·지능기술연구원 및 둥난대학-앨런(Allen)연구소 뇌데이터연합센터는 VR 및 AI 기술 기반 오픈소스(Open source) 정밀 데이터 어노테이션(Annotation) 시스템 TeraVR을 개발하여 전뇌(Allbrain) 수준에서 세계 최대의 가장 정밀한 뉴런 3차원 구조를 재건(Rehabilitation)했다. 해당 데이터량은 세계 1위이다.

대뇌의 기본 구성단위인 뉴런은 대뇌의 구조 및 기능 연구에 매우 중요하다. 기존에 뉴런 어노테이션 및 이미징 기술의 제한성으로 획득한 이미지는 비교적 높은 잡음 및 신호 불균일 등 문제점이 존재했다.

뉴런 형태를 획득하려면 대뇌 세포의 희소성 어노테이션, 전뇌 이미징, 뇌영상 가시화, 뉴런 형태 재건 등이 필요하다. 그중 뇌영상 가시화 및 뉴런 형태 재건은 전체 프로세스의 병목문제이다. 하나의 완전한 생쥐 전뇌 이미지는 일반적으로 수십 개 테라바이트(Terabyte)에 달하며 원숭이 뇌의 전뇌 이미지는 페타바이트(Petabyte) 수량급에 달한다. 동시에 뇌뉴런의 매우 복잡한 토폴로지 구조도 뉴런 형태 재건 어려움을 더 증가시킨다.

상기 어려움을 해결하기 위해 연구팀은 가상현실 및 인공지능 기술을 기반으로 오픈소스 반자동화 전뇌 뉴런 재건 시스템 TeraVR을 개발함으로써 초대규모 뇌 미세 이미지 데이터에서 대량의 전뇌 뉴런 형태 구조를 고효율적이고 정밀하게 생성했다. 또한 고해상도 현미경으로 생쥐 대뇌 절편을 촬영함과 아울러 생쥐 대뇌의 뉴런 구조를 추출하여 정밀한 3차원 이미지를 제작했다. 이로써 침지식 쌍안 입체영상을 이용하여 더욱 쉽게 대뇌 구조를 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 그중 매우 복잡한 뉴런 수상돌기 및 축삭돌기의 3차원 투사 경로를 분석할 수 있다.

시스템의 미세 이미지 해상도 정밀도는 0.1~0.2μm에 달하며 일부 범용 소프트웨어에 존재하는 재건 결함, 과도한 재건, 토폴로지 오류 등 문제를 식별할 수 있다. 현재 해당 시스템으로 1,000여 개 완전한 뉴런 구조를 재건했다.

대뇌 뉴런 구조 이해는 파킨슨병, 알츠하이머병, 근위축성측색경화증 등 신경퇴행성질환 진단 및 치료에 참고 가치를 제공할 수 있다.