초파리 실험실

fly.nexis-lab.com

초파리 실험실은 진짜 초파리 뇌 배선도로 계산하는 초파리 키우기 웹앱입니다. 2024년 Nature에 실린 FlyWire 프로젝트는 초파리 한 마리의 뇌를 7천여 장으로 얇게 잘라 전자현미경으로 찍고, 뉴런 13만여 개가 서로 어떻게 연결됐는지 하나하나 따라 그린 지도를 공개했습니다. 이 앱은 그 지도에서 뽑은 뉴런 1,267개와 그 사이의 실제 연결 56,464개를 휴대폰 브라우저가 1초에 1만 번씩 직접 계산합니다.

밥을 주면 초파리 혀의 단맛·물맛 감각뉴런에 신호가 들어가고, 그 신호가 회로를 지나 혀를 내미는 운동뉴런(MN9)까지 충분히 닿아야 초파리가 먹습니다. 쓴맛을 섞으면 단맛이 있어도 신호가 막혀 먹지 않습니다. 먹을지 말지는 사람이 정한 규칙이 아니라 뇌 회로 계산의 결과입니다.

사육병에서는 실제 초파리 사진으로 만든 초파리들이 걷고 날고 먹이를 먹습니다. 짝짓기 → 알 → 애벌레 → 번데기 → 어른으로 세대가 이어지고, 엄마가 숨긴 흰 눈 유전자가 아들에게만 나타나는 X염색체 유전(토머스 모건, 1910)도 직접 발견할 수 있습니다. 앱을 꺼 둬도 시간이 흘러서, 다시 열면 알이 깨고 병이 북적입니다.

두 번째 생물은 예쁜꼬마선충입니다. 1986년 세계 최초로 뇌 배선도가 완성된 1mm짜리 투명한 벌레로, 뉴런이 302개뿐이라 이 실험실은 시냅스가 있는 뉴런 300개를 하나도 빼지 않고 계산합니다. 배양접시에서 선충의 머리를 톡 건드리면 뇌 계산 결과에 따라 뒤로 물러나고, 꼬리를 건드리면 앞으로 달아나며, 싫은 냄새 한 방울에도 물러납니다. 짝 없이 혼자 알을 낳고, 먹이가 떨어지면 몇 달도 버티는 다우어 애벌레로 변합니다.

뇌가 없는 생물의 미니 실험 3종도 있습니다. 대장균은 화학주성 수용체 모델(Tu·Shimizu·Berg 2008)로 몇 초 전 설탕 농도를 기억해 설탕을 찾아가고, 점균은 관 적응 모델(Tero 외 2007)로 미로의 가장 짧은 길을 찾으며(Nakagaki 2000), 발광 세균은 LuxI·LuxR 회로로 친구 수가 문턱을 넘는 순간 다 같이 빛납니다. 각 실험 화면 맨 위에 쓴 식과, 실제로 알려진 현상이 재현됐는지 확인한 결과를 그대로 적었습니다.

지도만으로 행동이 나온다 — 2024년에 일어난 일

뇌의 배선도(커넥톰)는 오랫동안 ‘있으면 좋지만 그것만으로는 아무것도 설명 못 하는 지도’로 여겨졌습니다. 2024년 FlyWire 컨소시엄이 성체 초파리 뇌 전체의 배선도를 공개했고, 같은 해 UC버클리 연구팀은 그 지도 위의 모든 뉴런을 아주 단순한 전기 신호 규칙(누설 적분-발화 모델)으로 돌려 보았습니다.

결과는 놀라웠습니다. 혀의 단맛 감각뉴런을 자극하면 혀를 내미는 운동뉴런이 켜지고, 쓴맛을 함께 주면 꺼지는 실제 초파리의 행동이 배선도와 계산만으로 재현됐습니다. 배선을 무작위로 섞으면 이 결과가 사라졌습니다. 이 실험실은 바로 그 연구의 데이터와 식을 그대로 가져와 아이가 손으로 만질 수 있게 만든 것입니다.

휴대폰에 뇌를 넣는 방법 — 신호를 안 보낸 뉴런은 지워도 결과가 같다

뇌 전체는 뉴런 12만 7천 개, 연결 1,470만 쌍이라 휴대폰에서 실시간으로 돌리기엔 큽니다. 그래서 논문 모델을 PC로 옮겨 단맛(4단계)·쓴맛·단맛+쓴맛·물·더듬이 자극을 뇌 전체로 먼저 계산했습니다. 단맛 한 번에 약 400개 뉴런이 반응해 논문 보고와 같았습니다.

이 모델에서 뉴런은 신호(스파이크)를 보낼 때만 다른 뉴런에 영향을 줍니다. 따라서 어떤 실험에서도 한 번도 신호를 보내지 않은 뉴런은 지워도 계산 결과가 바뀌지 않습니다. 반응한 뉴런 1,267개와 그 사이 실제 연결만 남긴 회로로 같은 실험을 다시 돌리자 8가지 모두에서 혀 운동뉴런과 몸단장 뉴런의 출력이 뇌 전체와 똑같이 나왔습니다.

먹을지 말지를 회로가 정하게 한 이유

보통의 키우기 게임은 ‘배고프면 먹는다’를 사람이 규칙으로 적습니다. 이 실험실에서는 밥을 줄 때마다 그 맛을 감각뉴런 자극으로 바꿔 회로를 계산하고, 혀 운동뉴런(MN9)이 1초에 10번 넘게 신호를 보내야 먹습니다. 뇌 전체 계산 기준으로 단맛은 23~123번, 물은 37번, 쓴맛은 0번, 단맛에 쓴맛을 섞으면 2번이라 아이가 쓴 풀즙을 섞으면 초파리가 정말로 먹이를 거부합니다.

그래서 ‘왜 안 먹지?’라는 질문의 답이 화면 속 회로에 있습니다. 뇌 실험 탭에서 같은 자극을 넣어 신호가 어디서 막히는지 보고, 가위로 중간 뉴런을 끊어 혀가 멈추는지 확인하는 과정은 논문 속 연구자들이 꼭 필요한 뉴런을 찾은 방법과 같습니다.

두 번째 생물, 예쁜꼬마선충 — 뇌 전체를 통째로 계산한다

예쁜꼬마선충은 1986년 세계 최초로 뇌 배선도가 완성된 동물입니다. 뉴런이 302개뿐이라 초파리처럼 일부를 골라낼 필요 없이 뇌 전체를 휴대폰에서 계산할 수 있습니다. 이 실험실은 Cook 외(2019, Nature)의 자웅동체 배선도에서 시냅스가 있는 뉴런 300개, 화학 시냅스 2만여 개, 전기 시냅스 8천여 개를 모두 씁니다. 선충 뉴런은 대부분 활동전위 대신 연속적인 전압 변화로 신호를 보내므로 연속 신호 모델로 계산했습니다.

처음에는 화학 시냅스를 모두 흥분으로 놓았더니 코를 건드려도 앞으로 가는, 실제와 반대 결과가 나왔습니다. 촉각 뉴런의 화학 시냅스가 억제로 작동해야 실제 행동과 맞는다는 Wicks 외(1996)의 근거를 반영하자 코 터치는 뒤로, 꼬리 터치는 앞으로, 싫은 냄새(ASH 뉴런)는 뒤로 가는 실제 행동이 나왔습니다. 1985년 마틴 찰피 연구팀이 레이저로 뉴런을 없애 촉각 회로를 찾은 실험도 재현돼, AVD를 없애면 코 터치 반응이 사라지고 PVC를 없애면 꼬리 터치의 앞으로 가기 신호가 약 1/12로 줄어듭니다.

핵심 기능

✓실제 뇌 지도의 연결 그대로 — 뉴런 1,267개·연결 56,464개, 뇌 전체(12만 7천 뉴런) 계산과 8개 실험 모두 일치
✓실사 초파리 사육병 — 밥 주기·오르기 운동·번식·흰 눈 유전(모건 1910)·병 나누기·꺼 둬도 자람
✓뇌 실험 — 단맛·쓴맛·물·바람 자극, 뉴런 반짝임 관찰, 가위로 뉴런 끊기 · 홈 화면 앱(오프라인)
✓🆕 예쁜꼬마선충 — 뇌 전체(뉴런 300개) 계산, 머리·꼬리 터치 반응, 찰피(1985) 뉴런 제거 실험 재현, 배양접시·다우어·자가수정
✓🆕 미니 실험 3종 — 대장균(뇌 없는 기억)·점균(미로 풀기)·발광 세균(함께 결정), 실험마다 논문 근거와 검증 결과를 화면 맨 위에 공개

이런 분께 추천합니다

•초등학생 아이와 함께할 과학 놀이를 찾는 학부모
•뇌과학·커넥톰·AI가 실제로 어떻게 계산되는지 손으로 만져 보고 싶은 청소년과 성인
•유전(멘델·모건)과 신경계 단원을 보여 줄 수업 자료가 필요한 선생님

사용 방법

1fly.nexis-lab.com 에서 ‘실험실 열기’를 누르고 연구원 이름을 적습니다(기록은 그 기기에만 저장).
2🍌 밥 주기에서 바나나·쓴 풀즙·물을 골라 주면, 뇌 회로를 0.5초 계산한 결과(혀 운동뉴런 신호 수)와 먹는지 여부가 나옵니다.
3🧠 뇌 실험 탭에서 단맛·쓴맛·물·더듬이 바람을 켜고 뉴런이 반짝이는 모습을 보며, ✂️ 가위로 뉴런을 끊어 혀가 멈추는지 실험합니다.
4🏃 병을 톡톡 쳐 오르기 운동을 시키고, 세대가 늘면 새 병에 나눠 담으며 관찰 일지와 배지 15종을 모읍니다.
5화면 위 ‘꼬마선충’을 누르면 배양접시로 갑니다. 선충의 머리·꼬리를 톡 눌러 반응을 보고, 🧠 뇌 실험에서 ✂️ 가위로 AVD 뉴런을 끊은 뒤 다시 건드려 반응이 사라지는지 확인합니다.

이 도구가 하지 못하는 것

!꼬마선충의 시냅스 부호는 GABA 뉴런 억제·촉각 뉴런 화학 시냅스 억제·나머지 흥분으로 단순화했습니다. 매개변수 16가지 조합 중 11가지에서 세 행동 방향이 모두 맞았고, 꼬리 터치는 앞/뒤 차이가 약 1.3배로 가장 약한 결과입니다. 먹이를 찾아가는 움직임과 뉴런의 화면 위치는 대략입니다.
!실제 배선도로 계산한 단순화 모델입니다. 도파민 같은 확산성 화학물질, 학습, 뉴런마다 다른 전기적 성질, 몸에서 오는 감각은 빠져 있습니다.
!논문이 실제 초파리 실험과 맞춰 본 범위는 맛(먹기)과 몸단장 회로이며, 이 실험실의 뇌 계산도 그 회로만 씁니다. 걷기·날기 모습은 그림 애니메이션입니다.
!배고플수록 단맛 신호가 세지는 정도, 시간 속도(초파리 하루 = 2시간), 수명·낳는 알 수·운동 효과는 아이가 볼 수 있게 정한 게임 규칙입니다.
!기록은 그 기기 브라우저에만 있어 기기를 바꾸면 이어지지 않습니다(설명 탭의 기록 저장·불러오기로 옮길 수 있음).

자주 묻는 질문

Q. 정말 실제 초파리 뇌와 같나요?

A. 뉴런과 연결(누가 누구에게, 시냅스 몇 개, 흥분인지 억제인지)은 실제 뇌 지도 그대로입니다. 신호를 계산하는 방식은 UC버클리 연구팀이 Nature(2024)에 발표한 단순 뉴런 모델과 같은 식·같은 숫자를 썼고, 이 방식은 단맛엔 먹고 쓴맛엔 멈추는 실제 초파리 실험 결과와 맞는 것으로 보고됐습니다. 다만 도파민 같은 화학물질·학습·뉴런마다 다른 성질은 빠진 단순화 모델이라 ‘실제 뇌와 똑같다’고는 하지 않습니다.

Q. 예쁜꼬마선충은 무엇이 다른가요?

A. 초파리는 뇌 지도에서 맛·몸단장에 쓰이는 뉴런만 골라 담았지만, 꼬마선충은 뉴런이 302개뿐이라 뇌 전체를 그대로 계산합니다(시냅스가 없는 한 쌍 제외 300개, Cook 외 2019 배선도). 선충 뉴런은 대부분 활동전위 대신 연속적인 전압으로 신호를 보내서 연속 신호 모델을 썼고, 코 터치→뒤로, 꼬리 터치→앞으로, 싫은 냄새→뒤로, AVD 제거→코 터치 반응 소멸, PVC 제거→꼬리 터치 반응 약화가 실제 연구와 같은 방향으로 나왔습니다.

Q. 뉴런 1,267개만으로 어떻게 뇌 전체를 대신하나요?

A. PC에서 뇌 전체 12만 7천 개 뉴런을 맛·물·더듬이 자극마다 먼저 계산했습니다. 이 모델에서는 한 번도 신호를 보내지 않은 뉴런이 다른 뉴런에 영향을 주지 않으므로, 실제로 반응한 뉴런과 그 사이 연결만 남겼고 8가지 실험 모두에서 뇌 전체와 결과가 같음을 확인했습니다.

Q. 아이가 써도 안전한가요?

A. 서버·회원가입·광고·분석 도구가 없습니다. 연구원 이름과 사육 기록은 그 기기의 브라우저에만 저장되고 어디로도 보내지 않습니다.

Q. 앱을 꺼 둬도 자라나요?

A. 네. 마지막으로 연 시각을 기억했다가 다시 열 때 흐른 시간만큼 한꺼번에 계산합니다(초파리 하루 = 실제 2시간). 너무 오래 비우면 실험실처럼 서늘한 곳에 보관한 것으로 쳐서 최대 초파리 시간 10일(실제 약 20시간)까지만 흐릅니다.

Q. 아이폰·안드로이드에 앱처럼 설치하려면?

A. 아이폰은 Safari로 fly.nexis-lab.com 을 열고 공유 버튼 → ‘홈 화면에 추가’, 안드로이드는 크롬 ⋮ 메뉴 → ‘홈 화면에 추가’를 누르세요. 한 번 열고 나면 인터넷 없이도 열립니다. 아이폰 홈 화면 앱은 Safari와 저장 공간이 따로이고 아이콘을 지우면 기록도 지워지므로, 앱 안 ‘설명 → 기록 저장하기’로 가끔 백업하세요.

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