뇌파 생성·변조 담당하는 신경회로 원리 규명
뇌파 생성·변조 담당하는 신경회로 원리 규명
  • 함예솔
  • 승인 2018.11.15 00:55
  • 조회수 3026
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KAIST 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 뇌파의 생성과 변조를 담당하는 핵심 신경회로를 규명하는데 성공했습니다. 이를 통해 뇌의 동작원리를 밝히고 향후 여러 뇌질환 환자에게서 발생하는 비정상적인 뇌파활동을 신경세포 네트워크 수준에서 규명하는데 활용 가능할 것으로 기대됩니다.

 

뇌의 비밀에 한발자국 더! 출처: fotolia
뇌의 비밀에 한 발자국 더! 출처: fotolia

뇌의 다양한 기능은 신경세포(뉴런) 사이의 복잡한 상호작용을 통해 이뤄집니다. 특히 뉴런들의 동시다발적인 발화에 의해 형성되는 뇌파는 뇌의 활동 상태를 측정하는 가장 중요한 지표죠. 특정 기능을 수행하기 위해 영역 간 선택적 통신의 매개체 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 또한 뇌파의 비정상적인 생성 및 변조 현상은 다양한 뇌질환과 밀접한 관계를 갖는 것으로 밝혀지고 있는데요. 이에 전 세계 신경생물학 연구자들은 뇌파의 생성 및 변조 원리를 파악하기 위해 노력하고 있습니다. 

 

그러나 뇌파의 생성과 변조는 수많은 뉴런 사이의 복잡한 상호작용을 통해 발생하는 예측할 수 없는 창발적 특성(emergent property)을 갖기 때문에 기존의 신경 생물학 실험을 통해 그 원리를 규명하기에는 한계가 있었습니다. 여기서 창발적 특성이란 어떠한 시스템을 구성하는 개별 요소들이 독립적으로 존재할 때에는 나타나지 않지만, 이들이 서로 상호작용 하여 하나의 시스템을 형성할 때 비로소 나타나는 새로운 특성을 일컫습니다. 이러한 창발적 특성은 생명체의 다양한 기능을 만들어냅니다.

 

서로 상호작용해 하나의 시스템을 만들어요. 출처: fotolia
서로 상호작용해 하나의 시스템을 만들어요. 출처: fotolia

조 교수 연구팀은 시스템생물학 기반의 연구 방법을 통해 뇌파의 생성과 변조 원리를 분석했습니다. 연구팀은 여러 뇌 영역 중 특히 감각 피질(sensory cortex)에 주목했습니다. 감각 피질은 외부 감각 정보를 처리하고 통합, 조절하는 핵심 영역으로 여러 주파수 대역의 뇌파와 변조를 관측할 수 있습니다. 

 

연구팀은 최근 커넥토미스(connectomics)연구를 통해 밝혀진 쥐의 감각 피질 내 뉴런의 종류 및 뉴런 간 연결성 정보를 이용해 감각 피질을 구성하는 뉴런들과 이들을 연결하는 시냅스를 수학모델을 통해 표현하고 이로부터 신경회로를 구축해 뇌파의 생성 및 변조 과정을 분석했습니다. 커넥토미스(connectomics)란 뇌의 작동을 이해하기 위해 다양한 종류의 뉴런들로 구성된 신경회로의 구조를 포괄적으로 그리는 뇌지도인 '커넥톱(Connerctome)'을 제작하고 연구하는 학문입니다. 

 

뇌파의 생성 및 변조를 담당하는 핵심 신경회로. 출처: KAIST
뇌파의 생성 및 변조를 담당하는 핵심 신경회로. 출처: KAIST

연구팀은 대규모 컴퓨터 시뮬레이션 분석을 통해 흥분성 뉴런과 억제성 뉴런으로 구성된 양성 피드백과 음성 피드백의 중첩된 구조(interlinked positive and negative feedback)가 뇌파의 생성 및 주파수 변조 현상의 핵심 회로임을 최초로 규명했습니다. 참고로, 뉴런은 다른 뉴런의 활동을 활성화시키는 흥분성 뉴런과 다른 뉴런의 활동을 억제시키는 억제성 뉴런으로 구분됩니다. 이중에서 특히 억제성 뉴런은 주변 뉴런의 활동을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 

 

뉴런 간 연결 강도에 내재된 기능적 설계원리 파악. 출처: KAIST
뉴런 간 연결 강도에 내재된 기능적 설계 원리 파악. 출처: KAIST

또한, 연구팀은 기존의 전기 생리학 실험을 통해 측정된 뉴런 간 시냅스의 특정 연결강도가 신경회로의 뇌파 생성 및 변조 기능을 극대화시킬 수 있는 최적의 조합임을 밝혀냈습니다. 이번에 개발한 수학모형을 활용하면 전통적 생물학 실험을 통해 파악이 어려웠던 뉴런들 간의 다양한 상호작용을 이해하고 신경회로의 복잡한 설계원리를 파악할 수 있을 것으로 기대됩니다.

 

인공지능 개발에도. 출처: fotolia
인공지능 개발에도. 출처: fotolia

또한 여러 뇌질환 환자의 뇌에서 관측되는 비정상적인 뇌파 활동을 신경 네트워크 차원에서 분석하고 규명할 수 있을 것으로 예상됩니다. 시스템 생물학 접근을 통한 신경회로의 구조 및 기능 분석은 인공지능의 발전에도 기여할 것으로 기대됩니다. 두뇌 신경회로의 작동원리에 대한 이해를 높인다면 컴퓨터 과학자들이 이를 이용해 새로운 인공지능 기술을 개발할 수 있습니다. 또한 자폐증이나 집중력 조절 장애 등과 관련된 신경회로 규명, 두뇌 치료 기술 개발 등의 원천 의료기술 개발에도 혁신적으로 이어질 수 있을 것으로 보입니다.

 

조 교수는 "지금껏 뇌파의 생성과 변조를 담당하는 핵심 신경회로가 밝혀진 바가 없었다"며 "이번 연구에서는 최근 커넥토믹스(connectomics)연구를 통해 점차 밝혀지고 있는 뉴런 간의 복잡한 연결성에 숨겨진 설계원리를 시스템생물학 연구를 통해 찾아냄으로써 뇌의 동작 원리를 파악할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다"고 밝혔습니다. 이번 연구는 4차 산업혁명의 핵심기술로 주목받는 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학 연구로 규명했다는 의미를 갖습니다. 이 연구는 국제학술지 <셀 리포트(Cell Reports)>에 게재됐습니다. 

 

 


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