스탠퍼드 연구팀, 대뇌피질 없앤 생쥐에 인간 뇌 오가노이드 이식해 신경회로 연결 확인

무슨 일인가

미국 스탠퍼드대(Stanford University) 정신의학·행동과학과 세르지우 파슈카(Sergiu P. Pașca) 교수 연구팀이 대뇌피질과 해마의 흥분성 신경세포 대부분을 없앤 생쥐의 뇌에 인간 대뇌피질 오가노이드를 이식해, 인간 신경세포가 생쥐 신경계와 연결되는 새로운 동물 모델을 만들었다¹. 논문 제목은 '생쥐에서 인간 유래 오가노이드를 이용한 발달기 이종피질화(Developmental xenocortication using human-derived organoids in mice)'로, 2026년 9월 16일 국제학술지 네이처(Nature)에 온라인으로 먼저 실렸고 10월호(658권 8135호) 표지 논문으로 인쇄됐다¹. 공동 제1저자는 콘스탄틴 카가놉스키(Konstantin Kaganovsky), 케빈 켈리(Kevin W. Kelley), 틸로 그슈빈트(Tilo Gschwind)이며, 광유전학으로 잘 알려진 칼 다이서로스(Karl Deisseroth) 교수도 공저자로 참여했다¹.

어떻게 만들었나

연구팀은 배아 전뇌에서 대뇌피질과 해마로 자라는 영역의 전구세포(Emx1 발현 세포)에서 세포분열에 필요한 Esco2 유전자를 선택적으로 없앴다²³. 이렇게 태어난 생쥐는 대조군에 비해 대뇌피질과 해마의 98%가 없었고 전체 뇌 조직은 절반 수준이었다². 연구팀은 이 생쥐를 '무피질(apallial) 생쥐'라고 불렀고, 인간 세포가 거부반응 없이 자라도록 면역결핍 배경에서 만들었다³⁴.

이 생쥐가 태어난 지 5~17일 사이에 인간 유도만능줄기세포로 30~60일 동안 키운 대뇌피질 오가노이드 4개를 비어 있는 공간에 넣었다⁴. 세 가지 줄기세포주에서 만든 오가노이드를 생쥐 29마리에 이식했고, 수술 약 두 달 뒤 자기공명영상으로 확인하니 25마리(86.2%)에서 이식편이 살아 있었다³⁴. 이식편은 생후 2개월에서 3개월 사이에 부피가 4.7배로 커졌고, 3개월 시점에 인간 조직이 대뇌피질 전체 부피의 91.9%를 차지했다⁴. 연구팀은 이 모델을 '이종피질 생쥐(xenocortical mouse)'라고 이름 붙였다⁵.

무엇을 확인했나

이식편 안에서는 다양한 인간 대뇌피질 세포가 생겨났다¹. 5층 피질외 투사 신경세포(L5-ET)의 비율이 기존 이식 방식보다 세 배 이상 높았고, 배양접시에서는 만들기 어려운 폰 에코노모 신경세포(von Economo neuron)와 비슷한 세포도 나타났다⁴². 다만 연구팀은 이 세포들이 형태로 판별한 것이며 성숙한 폰 에코노모 신경세포인지는 확인하지 못했다고 밝혔다⁴.

신경 추적 결과 인간 유래 축삭은 다발을 이뤄 피질 아래 구조를 지나 중뇌 쪽으로 뻗었고, 일부는 경추 척수까지 닿았다³⁴. 한 번의 시냅스만 건너는 변형 광견병 바이러스로 입력을 추적하니 생쥐의 구피질, 시상, 담창구에 있는 신경세포가 인간 이식편에 연결돼 있었다³⁴. 칼슘 영상과 전기생리 기록에서는 수십 초 동안 이어지는 큰 동기화 발화가 몇 분마다 반복됐고, 한 지점에서 시작된 활동이 약 100밀리초 안에 이식편 전체로 퍼졌다⁴. 이 활동은 입과 얼굴의 움직임과 상관관계를 보였다²⁴.

행동 실험에서 이동 능력은 대조군, 무피질 생쥐, 이종피질 생쥐 사이에 큰 차이가 없었지만, 무피질 생쥐와 이종피질 생쥐 모두 발 협응이 달랐다⁴. Y자 미로의 자발적 교대 과제에서 대조군은 약 60%, 이종피질 생쥐는 60%를 조금 넘는 비율로 교대했지만 무피질 생쥐는 50%를 조금 넘는 수준으로 우연 수준을 벗어나지 못했다³. 그러나 소리와 전기 자극을 짝지은 공포 조건화 실험에서는 이종피질 생쥐도 무피질 생쥐처럼 기억 결손이 그대로 남았다³⁴. 연구팀은 이식편이 작업기억을 회복시켰다고 결론 내리지는 않았다⁴. 파슈카 교수는 "이 동물들은 완전히 정상은 아니지만 놀라울 만큼 기능적이며, 우리가 예상한 것보다 훨씬 그렇다"고 말했다².

연구팀은 이 모델로 발달 중인 인간 대뇌피질이 손상될 때 생기는 변화도 측정했다¹. 산소 농도를 5%까지 낮춰 5시간 노출시키자 인간 이식편에서만 저산소 반응 단백질 HIF1α가 뚜렷하게 나타났고, 미세아교세포와 성상세포가 늘었으며, 보행 검사에서 세 발이나 네 발로 몸을 지탱하는 비율이 가장 크게 늘었다⁴. 뇌성마비를 일으키는 저산소 손상을 흉내 낸 실험이다².

맥락과 의미

뇌 오가노이드는 실제 뇌의 구조와 기능을 일부만 재현하고 몸 전체와 연결되지 않아 회로 수준의 작동이나 행동 영향을 보기 어렵다¹. 파슈카 연구팀은 2022년에도 갓 태어난 쥐(rat)의 대뇌피질에 인간 오가노이드를 이식했지만, 쥐 신경세포가 더 빨리 자라 인간 조직이 한쪽 반구의 3분의 1 정도까지만 커졌다⁶. 파슈카 교수는 "인간 세포는 생쥐 세포에 매우 빨리 밀려난다"며 공간을 비워 주는 방식을 택한 이유를 설명했다².

외부 연구자들은 기술적 진전을 인정하면서도 한계를 짚었다. 캘리포니아대 샌디에이고(UC San Diego)의 조지프 글리슨(Joseph Gleeson) 교수는 이 모델이 "새 대뇌피질을 만드는 게 아니라" 오가노이드가 자랄 공간을 주는 것이며, 이것이 "가장 큰 발견이자 가장 큰 한계"라고 평가했다². 뮌헨대(LMU Munich)의 도미니크 파케(Dominik Paquet) 교수는 이식편이 정상적인 인간 대뇌피질을 재구성하지는 않는다면서도 "인간 대뇌피질 조직을 대규모 생체 내 연구에 쓸 수 있게 한 중요한 진전"이라고 썼다³. 연구팀 스스로도 이식편에 피질층과 영역 구분이 없고 억제성 사이신경세포가 부족하며, 약 24주 시점의 신경세포가 임신 2분기 후반의 인간 대뇌피질에 해당할 만큼 미성숙하다고 밝혔다³⁴.

연구팀은 이 모델이 뇌성마비 치료법 시험, 환자 유래 세포를 이용한 전두측두엽 치매와 유전성 자폐 연구에 쓰일 수 있다고 본다⁶³.

윤리 문제와 남은 물음

연구는 동물실험과 줄기세포 연구 승인을 받았고, 생명윤리학자 자문과 독립 윤리위원회 검토를 거쳤다⁴. 싱가포르국립대의 생명윤리학자 인수 현(Insoo Hyun)이 이끈 외부 전문가 패널은 핵심이 인간 조직의 양이 아니라 그 조직이 동물에게 어떤 능력을 주는가라고 보면서, 이번 생쥐가 그 선을 넘었다는 증거는 거의 없다고 평가했다⁶. 파슈카 교수는 생쥐 뇌가 작고 인간과 진화적 거리가 멀어 지금은 인간 수준의 인지 능력을 걱정하지 않지만, "영장류에서 이 실험을 하는 것은 매우 분명한 금지선"이라며 "현 시점에서 어떤 식으로도 정당화되지 않는다"고 말했다⁵.

남은 물음도 분명하다. 연구팀은 해부학적 연결이 곧 기능적 통합을 뜻하지는 않으며, 이식된 인간 신경세포가 특정 행동에 필요하거나 충분한지는 아직 알 수 없다고 밝혔다⁴. 저산소 실험의 행동 변화가 인간 신경세포 손상 때문인지, 종 특이적 취약성 때문인지도 가려야 할 과제로 남아 있다³.

참고한 곳

1. Nature, Developmental xenocortication using human-derived organoids in mice - https://www.nature.com/articles/s41586-026-11032-2 ↩ ↩² ↩³ ↩⁴ ↩⁵ ↩⁶

2. The Transmitter, Human brain organoids flourish in emptied mouse cortex - https://www.thetransmitter.org/spectrum/human-brain-organoids-flourish-in-emptied-mouse-cortex/ ↩ ↩² ↩³ ↩⁴ ↩⁵ ↩⁶ ↩⁷ ↩⁸

3. Alzforum, Human Organoids Refill Hollowed-Out Mouse Brain - https://www.alzforum.org/news/research-news/human-organoids-refill-hollowed-out-mouse-brain ↩ ↩² ↩³ ↩⁴ ↩⁵ ↩⁶ ↩⁷ ↩⁸ ↩⁹ ↩¹⁰ ↩¹¹

4. News-Medical, Transplanted human cortical organoids filled most of a mouse cortex. Then they began to connect - https://www.news-medical.net/news/20260918/Transplanted-human-cortical-organoids-filled-most-of-a-mouse-cortex-Then-they-began-to-connect.aspx ↩ ↩² ↩³ ↩⁴ ↩⁵ ↩⁶ ↩⁷ ↩⁸ ↩⁹ ↩¹⁰ ↩¹¹ ↩¹² ↩¹³ ↩¹⁴ ↩¹⁵ ↩¹⁶ ↩¹⁷

5. MIT Technology Review, Meet a mouse whose brain cortex is made up of human cells - https://www.technologyreview.com/2026/09/16/1144210/meet-a-mouse-whose-brain-cortex-is-made-up-of-human-cells/ ↩ ↩²

6. Science News, These mice have human (nerve cells) on the brain - https://www.sciencenews.org/article/mice-brain-human-organoid-cells ↩ ↩² ↩³