[대수] 빛으로 신경세포를 조절한다? 2026 노벨 생리의학상, 광유전학

by 메디컬저널 김윤

대한민국 약사, 약학석사, 연구원 5년, 메디컬 학종 컨텐츠 통합 조회수 62만회, 前 과학학원 원장, 메디컬 생기부 전담, 메디컬 세특 전문 블로그 리코드라이터 운영, 입시 플랫폼 아카AI 기술자문 및 컬럼 연재

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그림 1. 2026년 노벨 생리의학상 발표문. NobelPrize.org 보도자료(2026. 10. 5.)

지난 10월 5일 발표된 2026년 노벨 생리의학상은 칼 다이서로스(Karl Deisseroth), 페터 헤게만(Peter Hegemann), 게오르크 나겔(Georg Nagel) 세 사람에게 돌아갔습니다. 노벨위원회는 빛으로 열리는 이온 통로와 광유전학(optogenetics)에 관한 발견을 수상 이유로 밝혔습니다.

그림 2. 2026년 노벨 생리의학상 수상자 세 사람. NobelPrize.org, Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach

❗️ 광유전학을 간단히 설명하자면 빛에 반응하는 단백질을 특정 세포에서 만들도록 하고, 빛을 비춰 그 세포의 활동을 바꾸는 기술입니다. * 언론에 소개된 더 직관적인 설명으로는 빛으로 뇌(신경세포)를 조절하는 기술을 의미합니다.

해당 기술을 교과 개념과 연계해보면, 광섬유로 보낸 빛은 조직 속에서 깊이에 따라 줄어들게 되는데, 그 정도를 대수 과목의 「지수함수와 로그함수」 단원에서 학습하는 지수함수와 로그로 계산할 수 있습니다. 이 계산 결과는 광섬유를 표적 세포 가까이에 넣는 이유와 빛의 파장을 고르는 기준과 관련이 있습니다.

﹡ 이번 탐구는 신경세포의 흥분 전도를 주제로 탐구하였거나, 유전자 치료를 탐구한 적이 있는 학생이 후속 탐구로 진행하기 좋은 소재입니다.

# 뇌 연구와 광유전학

✔️ 사람의 뇌는 무게가 약 1.3 kg인 기관으로 성인의 뇌에는 신경세포가 약 900억 개 존재합니다. 이 세포들은 어린 시절의 기억과 감정을 만들고, 심장 박동의 속도와 수면 주기까지 조절하는 역할을 합니다.

예컨대, 우리가 몸을 움직이거나 잠에서 깰 때 뇌에서는 특정 신경세포들이 활동하는데요, 연구자들은 오래전부터 어떤 행동을 할 때 어떤 신경세포가 활동하는지를 관찰하고 연구해 왔습니다.

❗️ 그런데 20세기 연구자들이 뇌의 어느 부위가 어떤 기능에 영향을 주는지 조사했지만, 당시의 방법으로는 그 인과관계를 증명할 수 없었다고 설명합니다.

그림 3. 노벨위원회 발표문 중 20세기 뇌 연구를 설명한 문단.

⇢ 특정 행동(혹은 기능)과 뇌의 특정 신경세포 활동과의 인과관계를 확인하기 위해서는 특정 신경세포의 활동을 직접 조작한 뒤 행동 변화를 관찰해야 합니다. 즉, 연구자가 어떤 세포를 언제 자극할지 정하고, 그 뒤 행동이 어떻게 달라지는지 확인하는 방식입니다.

그런데 신경세포 하나는 다른 신경세포와 수천 개와 연결되어 있고, 서로 다른 신체 기능을 맡은 세포들이 매우 가까이 혼재되어 있는 경우도 많아서, 부위 하나를 자극하면 기능이 다른 세포까지 함께 영향을 받게 되는 한계가 있었습니다. ⇢ 이러한 한계점을 극복하기 위해 특정 종류의 신경세포만 정밀하게 골라 조절하는 방법이 필요했습니다.

✔️ DNA 이중나선을 밝혀낸 업적으로 노벨상을 수상한 프랜시스 크릭(Francis Crick)은 이 방법을 일찍이 구상했습니다. (신경세포가 빛에 반응하게 만들 수 있다면 빛으로 신경활동을 조절할 수 있다는 구상)

그는 살아 있는 뇌에서 신경세포를 하나씩 활성화하는 방법을 구상했고, 신경세포의 신호가 매우 빠르기 때문에 그 속도에 맞는 수단으로 빛이 알맞다고 보았습니다.

그림 4. 신경세포를 켜고 끄는 스위치를 구상한 연구자들. © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén

❗️ 하지만 크릭은 이 구상이 실현하기는 어렵다고 생각했는데, 신경세포를 빛에 반응하게 하려면 빛에 반응하는 단백질이 있어야 한다는 한계점 때문이었습니다.

또한 단백질이 있더라도 빛이 뇌 조직 속 깊은 곳의 세포까지 닿아야 하므로, 빛이 조직을 관통하며 얼마나 감소하는지(에너지를 잃는지)도 따져야 했습니다.

대수 「지수함수와 로그함수」 단원에서 지수함수를 배우며, 일정한 간격마다 같은 비율로 늘거나 줄어드는 양은 지수함수로 나타낼 수 있고 로그를 이용하면 그 양이 특정 값에 이르는 지점을 구할 수 있다는 것을 알게 되었다. 그런데 문제를 풀 때는 주어진 식의 값을 계산하는 데 집중했기 때문에, 지수함수와 로그를 실제 현상에 적용하는 장면은 쉽게 떠올려내기 어려웠다.

그러던 중 2026년 노벨 생리의학상이 빛으로 신경세포의 활동을 조절하는 광유전학의 발견 업적으로 결정되었다는 뉴스를 보았고, 의약학 진로를 희망하는 만큼, 처음 들어본 광유전학의 개념과 배경에 대해 궁금증을 가지고 조사해 보았다.

노벨상 수상 업적인 광유전학을 탐구하는 과정에서 살아 있는 동물의 뇌에 가느다란 광섬유를 넣어 신경세포까지 빛을 전달한다는 설명을 읽으며, 빛이 조직을 지나며 약해진다면 깊이에 따라 빛 세기가 줄어드는 정도를 지수함수로 나타낼 수 있을 것 같다는 생각이 들었다.

따라서 이번 탐구에서는 광유전학의 원리와 대표 실험, 시각 기능 회복 연구를 정리하고, 깊이에 따른 빛 세기 표에서 빛이 줄어드는 규칙을 지수함수로 나타낸 뒤 로그를 이용해 빛의 시작 세기를 두 배로 높이면 빛이 닿는 깊이도 두 배가 되는지 확인해 보려고 한다.

✔️ 1990년대 초 독일 마르틴스리트의 막스플랑크 생화학연구소에 있던 헤게만은 단세포 녹조류 클라미도모나스(Chlamydomonas)가 어떻게 그토록 빠르게 빛에 반응하는지에 궁금증을 가졌습니다.

클라미도모나스는 빛을 향해 헤엄치는 것으로 유명하고, 세포 표면의 안점(eyespot)이라는 작은 주황색 점에 빛을 붙잡는 분자인 레티날이 들어 있다고 알려져 있습니다.

그림 5. 클라미도모나스는 안점으로 빛을 감지하고, 빛이 충분히 강하면 빛이 오는 쪽으로 헤엄친다. © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén

❗️ 헤게만은 미세한 전극으로 안점에 빛을 비출 때 생기는 전기 신호를 측정했는데, 빛이 도달한 뒤 0.5 ms(밀리초, 1000분의 1초) 뒤에 전기 신호가 나타났습니다.

반면 사람의 눈에서는 빛이 여러 단계의 화학 반응을 거쳐 세포막 단백질인 이온 통로를 열고 전기 신호를 만들기어내기 까지는 10 ms 이상 걸립니다. 즉 녹조류의 반응은 사람 눈보다 20배 넘게 빠른 셈입니다.

⇢ 헤게만은 녹조류에서의 빠른 반응을 설명하기 위해, 하나의 단백질이 빛을 붙잡는(빛에 반응하는) 일과 이온 통로 역할(전기적 신경 신호를 만드는)을 함께 한다는 가설을 세웠고, 클라미도모나스의 DNA에서 빛을 붙잡는 것으로 알려진 단백질의 유전자와 닮은 유전자 두 개를 찾았냈습니다.

✔️ 이를 확인하려고 헤게만은 독일 프랑크푸르트 막스플랑크 생물물리학연구소의 동료 나겔에게 연락했습니다. 나겔은 받은 유전자 두 개를 서로 다른 개구리 알에 따로 주입했습니다. 알의 세포들은 주입한 유전자에 의해 두 종류의 단백질을 대량으로 만들어냈고, 단백질은 알세포 표면의 세포막에 자리 잡았습니다.

그림 6. 클라미도모나스 유전자를 개구리 알에 넣자 알세포가 이온 통로 단백질을 만들어 표면에 내놓았고, 빛을 비추자 통로가 열려 이온이 흐르며 전기 신호가 생겼다.

자료: © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén

❗️ 헤게만의 가설과 일치하게도, 두 단백질은 빛을 받으면 열리는 이온 통로였습니다. 두 단백질에는 channelrhodopsin-1과 channelrhodopsin-2라는 이름이 붙게 되었습니다. (channel : 이온 통로를 의미 , rhodopsin : 빛을 감지하는 단백질 계열을 의미)

⇢ channelrhodopsin는 청색광을 받으면 양전하를 띤 이온(양이온)이 지나가는 통로를 만들어 내는데. 따라서 이 단백질이 세포막에 존재하는 신경세포에 청색광을 비추면 양이온이 들어오면서 막전위가 바뀌고, 그 결과 신경 신호가 발생하게 됩니다.

＊ 고등 교과에서 배우는 것 처럼, 이온은 전하를 띤 입자이므로 세포막을 사이에 두고 이온이 이동하면 세포막 안팎의 전기적 차이(막전위)가 달라집니다. 신경세포는 이 전기적 상태의 변화로 신경 신호를 발생시킵니다.

그림 7. 빛이 없을 때(왼쪽)와 청색광을 받았을 때(오른쪽)의 channelrhodopsin-2.

특히 channelrhodopsin-2는 빛 자극에 강하고 빠르게 반응했는데, 세포막의 이온 통로는 0.2 ms 만에 열렸고, 양전하를 띤 이온이 통로를 지나며 전기 신호가 발생했습니다.

헤게만과 나겔은 신경세포 외에 사람 배아 신장 세포와 햄스터 신장 세포에도 이 유전자를 넣어 보았는데, 두 세포 모두 빛을 받으면 마찬가지로 전기 신호를 발생시켰습니다. 즉 신경세포가 아닌 세포 역시 channelrhodopsin-2 유전자를 도입하면 빛에 반응하게 된 것입니다.

❗️2003년 두 사람은 이 실험 결과를 발표하며 channelrhodopsin-2가 특정 세포에서 빛으로부터 전기 신호를 만드는 도구가 될 수 있다고 제안했습니다.

단, 도구로 사용되기 위한 선행 요건으로서, 빛이 막을 관통하고 있는 단백질의 이온 통로를 여는 역할을 하고, 통로를 통해 이동한 이온은 신호를 발생시키는 기전이므로 어떤 세포를 빛으로 조작하기 위해서는, 빛을 비추기 전에 이 단백질을 만드는(전사, 번역) 유전자를 먼저 신경세포에 전달해야 합니다.

# 참고문헌 Nagel 외, Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel, PNAS(2003), Nobel Prize in Physiology or Medicine 2026 Popular information

✔️ 1990년대에 의대 공부를 시작한 다이서로스는 처음에 신경외과 의사가 되려고 했습니다. 그런데 수련 과정 일부를 정신과 병원에서 보내며 환자들의 고통과 도움이 필요한 모습을 마주했고, 뇌가 사람마다 이렇게 다르게 작동하는 이유가 무엇인지 궁금증을 가지게 되었습니다.

그는 의학 공부와 함께 신경과학 박사 학위를 밟았고, 진료실에서 만난 질병을 본질적으로 이해하기 위해서는 살아 있는 뇌에서 신경세포가 어떻게 기능하는지 연구해야 한다는 결론에 이르렀습니다.

✔️ 다이서로스 연구팀은 신경세포에서 전기 신호를 일으킬 단백질 후보를 여러 개 시험하던 중 channelrhodopsin-2가 발견되었다는 소식을 듣게 되었고, 나겔에게 편지를 보내 이 단백질의 DNA를 받을 수 있는지 물었습니다. DNA를 받은 다이서로스는 쥐(랫)의 신경세포에 이 유전자를 삽입했습니다.

해당 유전자를 도입한 세포는 유전자로부터 channelrhodopsin-2 단백질을 만들기 시작했습니다. 만들어진 단백질에 청색광을 비추자 세포가 곧 반응했고, 빛이 일으킨 신경 신호는 다른 신경세포로 전달되었습니다.

그림 8. 다이서로스는 channelrhodopsin-2 유전자를 신경세포에 넣어 빛에 반응하게 만들었고, 청색광으로 빠른 신경 신호를 발생시킴

❗️ 다이서로스 연구팀은 2005년 이 결과를 발표했고, 이듬해인 2006년 이 방법에 광유전학(optogenetics)이라는 이름이 붙었습니다.

이후에는 신경세포의 활동을 높이거나 낮추는 단백질, 서로 다른 파장의 빛에 반응하는 단백질 등 channelrhodopsin-2 외에도 여러 종류가 추가로 발견되었습니다.

그림 9. 광섬유 끝에서 나오는 청색광.

﹡실험 순서는 유전자 전달 → 단백질 생성 → 빛 전달 → 신경 신호 측정 → 행동 관찰입니다.

✔️ 조작을 원하는 세포가 단백질을 만들게 하는 단계에서 시작합니다. 연구자는 빛에 반응하는 단백질의 유전자를 신경조직에 전달하고, 그 단백질이 특정 종류의 신경세포에서만 만들어지도록 범위를 제한합니다. 세포가 그 단백질을 만들고 단백질이 세포막에 자리 잡아야 빛에 반응할 수 있습니다.

단백질이 발현된 세포에는 빛을 보내야 하는데요, 위 그림과 같이 살아 있는 동물에서는 가느다란 광섬유를 뇌에 넣어 빛을 전달합니다.

# 참고문헌 Nobel Prize in Physiology or Medicine 2026 Popular information, Stanford Report, How light became a tool for studying the brain(2026. 10.), Boyden 외, Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity, Nature Neuroscience(2005)

✔️ 광유전학이 생리의학 연구에 쓰이는 방식은 특정 세포의 활동을 바꾸고, 그 뒤 몸과 행동의 변화를 측정하는 것입니다(그 결과로 해당 세포의 활동을 관찰할 수 있습니다)

아래 그림 10은 빛을 비춘 대상 세포 종류가 점차 확장되는 순서를 연도로 정리한 것인데요, 배양된 신경세포(뉴런)에서 시작해 사람의 시각 세포까지 그 대상이 확대되는 것을 확인할 수 있습니다.

그림 10. 광유전학으로 빛을 비춘 대상 세포와 발표 연도.

자료: Nobel Prize in Physiology or Medicine 2026 Popular information, Sahel 외, Nature Medicine(2021)

① 생쥐의 수염 움직임 관찰(2007)

2007년 다이서로스는 살아 있는 생쥐의 뇌에서 신경세포를 활성화하는 데 성공했습니다. 연구팀은 대뇌 운동피질(움직임에 관여하는 뇌 부위)의 특정 종류 신경세포에 channelrhodopsin-2 유전자를 전달하고, 머리뼈에 낸 작은 구멍으로 가느다란 광섬유를 뇌에 넣어 빛을 비췄고, 그러자 생쥐의 수염이 움직이는 것을 확인할 수 있었습니다.

그림 11. 다이서로스 연구팀이 생쥐 뇌에 유전자를 전달하고 가느다란 광섬유를 넣어 신경세포에 빛을 비추자 신경 신호가 생겨 수염이 움직였다.

자료: © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén

⇢ 세포의 활동을 바꾸면 움직임이 달라지는지 확인한 실험입니다. 자극한 세포와 눈에 보이는 움직임을 함께 기록하면 그 세포가 운동에 어떻게 관여하는지 연구할 수 있습니다.

② 잠에서 깨어난 생쥐(2007)

같은 해 연구팀은 다른 연구자들과 함께 각성(깨어 있는 상태)을 조절할 것으로 추정되는 신경세포에 channelrhodopsin-2를 도입했습니다. 그리고 자고 있던 생쥐의 그 세포에 빛을 비추자 생쥐가 잠에서 깨어나는 것을 확인하였습니다.

③ 기억 세포 재활성화(2012)

2012년에는 다이서로스와 도네가와 스스무(Susumu Tonegawa, 1987년 노벨상 수상자)가 함께 기억 연구를 발표했습니다. 연구팀은 생쥐가 공포를 경험할 때 어떤 신경세포가 그 기억을 이루는 것으로 보이는지 기록했고, 나중에 그 세포들을 다시 활성화하자 위험이 없는 상황에서도 생쥐가 공포 행동을 보였습니다. 기억이 만들어질 때 생기는 신경 경로의 특정 패턴을 엔그램(engram)이라고 하는데, 이 실험은 특정 기억에 필요한 신경세포와 그 패턴을 정확히 보여 준 첫 실험으로 소개합니다.

⇢ 기억과 관련된 세포의 활동을 바꾸고 그 결과를 생쥐의 행동으로 측정할 수 있다는 것을 보여 준 실험입니다.

✔️ 광유전학은 뇌 외의 연구에서도 활용되었는데, 2023년 Nature에 실린 연구(Hsueh 외)에서 다이서로스 연구팀은 생쥐의 심장 세포가 빛에 반응하게 만들고, 피부 바깥에서 589 nm 빛을 비춰 심장을 간헐적으로 빠르게 뛰게 했습니다. 분당 900회 박동을 0.5초씩 가한 생쥐는 불안 유사 행동이 늘었는데, 이는 위험한 환경에서만 나타났고 평상시 범위의 박동에서는 행동 차이가 없었습니다.

⇢ 연구팀은 심장 신호를 처리하는 데 관여하는 것으로 추정되는 뇌 부위인 뒤쪽 섬피질(posterior insular cortex)의 활동을 광유전학으로 억제해 보았고, 이때 심장 박동이 만든 불안 유사 행동이 줄어들었습니다.

✔️ 장에서도 비슷한 연구가 있습니다. 2022년 Nature Neuroscience에 실린 연구(Buchanan 외)는 십이지장에서 설탕과 감미료의 신호를 신경에 전달하는 신경족 세포(neuropod cell)를 찾고, 장 안쪽에 쓸 수 있는 유연한 광섬유를 새로 만들어 이 세포를 빛으로 억제했습니다. 그 결과 설탕을 선호하는 정도는 대조군 생쥐가 90.8%, 이 세포를 억제한 생쥐가 58.9%였습니다.

# 참고문헌 Nobel Prize in Physiology or Medicine 2026 Popular information, Hsueh 외, Cardiogenic control of affective behavioural state, Nature(2023), Buchanan 외, The preference for sugar over sweetener depends on a gut sensor cell, Nature Neuroscience(2022)

✔️ 광유전학을 사람에게 적용한 연구도 있는데요, 2021년 Nature Medicine에 실린 논문은 망막색소변성증으로 시력을 잃은 환자 한 명의 시각 기능이 일부 회복된 사례를 보고했습니다.

망막색소변성증은 빛을 감지하는 광수용체가 사라지면서 실명에 이를 수 있는 질환입니다.

❗️ 연구진은 빛에 반응하는 단백질인 ChrimsonR의 유전자를 눈 안에 전달했습니다. 그리고 특수 고글이 바라보고 있는 장면에서 빛 세기가 달라지는 것을 감지해 망막에 빛 자극을 보내면, 유전자를 전달받은 망막 신경절세포가 반응하도록 했습니다.

그림 12. 고글을 쓰고 치료한 눈만으로 수행한 두 과제의 정답 횟수. Sahel 외, Nature Medicine(2021)

✔️ 환자는 고글을 쓴 조건에서 물체를 알아보고, 물체의 위치를 찾고, 물체의 개수를 세거나 물체를 손으로 만지는 과제를 수행했습니다. 컵의 수를 정확히 센 결과는 19회 중 12회(63%), 컵의 위치를 찾은 결과는 19회 중 11회(58%)였습니다.

❗️ 유전자를 주입하기 전에는 고글을 써도 물체를 눈으로 감지하지 못했고, 주입한 뒤에도 고글을 쓰지 않으면 감지하지 못했습니다. ⇢ 즉 이 시각 기능은 전달한 유전자와 빛을 보내는 고글이 함께 있을 때 나타났습니다.