국가독성과학연구소(소장 허정두, 이하 ‘KIT’) 동물대체연구센터 박순현 센터장은 순천향대학교·성균관대학교·부산대학교와 함께 제조사가 서로 다른 다중전극칩(MEA, Multi-Electrode Array) 데이터를 하나의 방식으로 분석할 수 있는 오픈소스 분석 도구 ‘CASCADE(캐스케이드)’를 개발했다고 9일 밝혔다.
다중전극칩은 배양 신경세포나 뇌 오가노이드의 전기신호를 여러 전극에서 동시에 측정하는 장비다. 신경독성 평가와 동물대체시험 등에 활용되지만, 제조사마다 데이터 형식과 분석 방식이 달라 결과를 직접 비교하기 어렵다는 한계가 있었다.
연구진이 개발한 ‘CASCADE’는 서로 다른 5개 제조사의 다중전극칩 데이터를 하나의 분석체계에서 처리할 수 있다.
▲(왼쪽부터)박순현 동물대체연구센터 센터장, Forbes Avila 연구원
원본 데이터 입력부터 스파이크, 발화율, 네트워크 활성, 임계성(criticality)*, 뉴런 눈사태(neuronal avalanche)** 분석까지 명령어 한 줄로 수행할 수 있다.
* 임계성(criticality): 신경망이 지나치게 조용하지도, 과도하게 흥분하지도 않은 ‘딱 알맞은’ 경계 상태로, 이 상태에서 정보 전달과 반응 범위가 최대가 되는 것으로 알려져 있어 신경망의 정보처리 능력을 나타내는 지표로 쓰인다.
** 뉴런 눈사태(neuronal avalanche): 한 신경세포의 활동이 이웃으로 연쇄적으로 번져 나가는 집단 활동 현상으로, 눈사태의 크기와 지속시간 분포가 신경망의 상태를 알려준다.
연구팀은 5개 제조사의 6개 실측 데이터를 이용해 CASCADE의 성능을 검증했다. 그 결과 장비와 파일 형식이 달라도 같은 기준으로 임계성값을 산출해 데이터를 비교할 수 있었으며, 일부 제조사 전용 소프트웨어와 비교한 스파이크 검출 결과도 동등한 수준으로 나타났다. 일반 노트북에서도 전체 분석을 약 5~20초 만에 수행했고, 8.6GB의 대용량 데이터도 최대 352MB의 메모리만으로 처리했다.
이번 연구는 서로 다른 장비의 데이터를 동일한 기준으로 분석할 수 있도록 ‘원본 데이터→신경망 활성 분석→임계성 분류’ 과정을 표준화했다는 점에서 의미가 있다. 이를 통해 배양 신경세포와 뇌 오가노이드를 활용한 동물대체 신경독성 평가의 재현성과 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
CASCADE는 의약품·화학물질의 신경계 부작용을 조기에 평가하는 데 활용할 수 있으며, 배양 신경망의 학습과 정보처리 능력을 정량화하는 바이오 지능 연구에도 활용될 전망이다.
CASCADE의 소스코드와 검증 데이터는 GitHub, PyPI, Zenodo***를 통해 무료로 공개돼 누구나 자유롭게 활용하고 검증할 수 있다.
*** 소프트웨어 소스코드와 연구자료 등을 공개·공유하고 내려받을 수 있는 온라인 플랫폼
KIT 박순현 센터장은 “신경세포의 신호를 어떤 장비로 측정하더라도 같은 기준으로 분석해야 과학적인 비교가 가능하다”며 “CASCADE가 동물을 대체하는 신경독성 평가와 바이오 지능 연구 발전에 도움이 되길 기대한다”고 말했다.
공동교신저자인 부산대학교 의과대학 이현수 교수는 “뇌전증을 포함한 많은 뇌신경질환은 신경세포 하나가 아니라 신경망 수준에서 봐야 하며, 임계성과 뉴런 눈사태는 그 신경망의 활력 징후와 같다”며 “CASCADE로 서로 다른 장비의 데이터를 하나의 잣대로 비교할 수 있게 된 만큼, 약효 검증과 뇌질환 치료제 발굴의 기반이 되길 기대한다”고 말했다.
한편, 이번 연구성과는 생명정보학 분야 국제학술지 ‘Bioinformatics(Oxford University Press)’에 7월 29일 게재됐다.
[그림] 제조사별 MEA 데이터를 통합해 신경망 정보처리 능력까지 분석하는 CASCADE
제조사마다 서로 다른 형식과 소프트웨어로 생성되는 MEA 데이터(왼쪽 주황색 상자)를 CASCADE가 하나의 분석체계로 통합한다. 이를 통해 기존의 표준 신경활성 지표(오른쪽 하늘색 상자)뿐 아니라 신경망의 연결성, 뉴런 눈사태, 기억, 임계성 등 신경망의 정보처리·지능을 나타내는 지표(오른쪽 파란색 상자)까지 산출할 수 있다.
