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비정상적으로 증가된 단백질 당화와 학습능력 저하의 상관관계 규명
노화에 따른 당화 증가와 인지기능 저하 사이의 새로운 연결고리 제시

 

단백질에 일어나는 당화(오글루넥 糖化, O-GlcNAc glycosylation)*는 단백질의 기능을 조절하여 세포의 영양상태를 반영하는 신호전달체계로써, 세포의 영양상태 불균형에 따른 부적절한 당화는 현대인의 만성질환을 유발하는 원인으로 알려져 있다. 최근 국내 연구진이 단백질에 일어나는 오글루넥 당화가 비정상적으로 증가될 때, 신경 세포간의 결합세기의 유동성이 떨어지고 인지기능이 저하되는 것을 밝혔다.
*오글루넥 당화(O-GlcNAc glycosylation): 단백질에 포도당 유도체인 ‘아세틸글루코사민’이 결합하는 것

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 임혜원 박사는 울산과학기술원(UNIST, 총장 정무영) 서판길 교수와의 공동연구를 통해 유전자 변형을 통해 오글루넥 당화를 인위적으로 증가시킨 실험 쥐의 경우 새로운 정보를 학습하는데 더 오랜 시간이 소요되며, 학습한 정보의 정확성도 떨어진다는 사실을 규명했다.

<그림 1> 뇌단백질의 오글루넥 당화가 비정상적으로 증가된 유전자변형 쥐 모델에서 인지기능이 저하됨을 확인

 

본 공동 연구진은 실험을 통해 일반적으로 새로운 정보를 습득할 시에 두뇌의 해마 부위에 위치한 신경세포간의 연결세기가 변화하는 과정이 필수로 일어나야 하지만, 당화가 증가된 유전자 변형 쥐에서는 외부에서 학습을 유발하는 자극이 주어졌을 때도 신경세포 간 연결의 세기가 유동적으로 변하지 않음을 증명했다.

<그림 2> 본 연구에서 사용된 다양한 행동실험에서 정상쥐 대비 Oga+/-쥐의 인지기능이 현저히 저하됨

오글루넥 당화는 포도당의 유도체가 단백질에 결합하여 일어나는 변화로써, 체내의 포도당 농도에 따라 민감하게 반응한다는 사실이 알려져 있으며 유전자의 발현이나 세포가 성장하여 분열하고 다시 성장하여 증식하는 세포주기 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 학계에 보고된 바 있다. 본 연구는 오글루넥 당화와 학습능력 사이의 상관관계를 관찰하여 세포의 영양상태가 뇌 인지기능에도 영향을 줄 수 있음을 밝혔다는 점에서 큰 의미가 있다. 

이번 연구 결과를 통해 KIST 임혜원 박사는 “치매와 같은 퇴행성 뇌질환뿐만 아니라, 노화 및 당뇨에서 흔히 발생하는 비정상적인 단백질 당화와 인지기능 저하 사이의 상관관계에 대해 추가 연구를 통해 더욱 면밀히 관찰할 필요가 있다” 고 말했다.

 

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 바이오의료기술, 뇌과학원천기술개발사업 및 KIST 기관고유사업 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 ‘Scientific Reports’ 에 4월 3일(월)자 온라인 판에 게재되었다.

 

* (논문명) Memory and synaptic plasticity are impaired by dysregulated hippocampal O-GlcNAcylation
        - (공동 1저자) 양용렬(UNIST), 송승주(KIST)
        - (공동 교신 저자) 임혜원(KIST), 서판길(UNIST)

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[YTN 사이언스] 복잡한 뇌 신경회로, 실험실에서 배양 성공

 

뇌 속 복잡한 신경회로를 실험실에서 구현할 수 있는 기술이 개발됐습니다. 한국과학기술연구원은 콜라겐 섬유를 특정 방향으로 정렬해 신경세포를 3차원으로 배양하는 기술을 세계 최초로 개발했습니다. 연구팀은 뇌의 '해마'에서 추출한 신경세포들을 신경회로의 구조에 맞게 배열한 콜라겐에 심은 결과, 신경세포들이 콜라겐을 따라 성장하면서 실제와 동일한 신경회로가 만들어졌다고 밝혔습니다. 이렇게 배양을 통해 만들어진 신경회로들은 알츠하이머병이나 파킨슨병 등 비정상 상태의 신경회로를 다시 구축하는데 적용할 수 있을 것으로 연구팀은 보고 있습니다.

 

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미스터리한 뇌 (The Mysterious Brain)

 

 

머릿속의 작은 우주라 불리는 뇌에 대해 궁금하지 않으셨나요? 자신의 육체가 더는 이 세상에 없지만, 의식이 컴퓨터에 남아있을 수 있다는 생각을 해보셨나요? 인간처럼 다양한 감정을 가진 기계를 생각해보셨나요? 곧 그 의문이 풀리실 것 같은데요. 영화 트랜센던스에서 이러한 모습 볼 수 있습니다.

 

일단 트랜센던스(Transcendence)라는 단어가 낯설 수 있는데요. 트랜센던스는 초월성이라는 뜻입니다. 이 영화에선 인류가 수억 년에 걸쳐 이룬 지적능력을 초월하고 자각능력까지 가진 슈퍼컴 ‘트랜센던스’의 완성을 목전에 둔 천재 과학자 ‘윌’이 등장합니다. 윌은 기술의 발전은 인류의 멸망이라 주장하는 반(反) 과학단체 ‘RIFT’의 공격을 당해 목숨을 잃게 됩니다. 그의 아내 ‘에블린’은 윌의 뇌를 컴퓨터에 업로드 시켜 그를 살리는 데 성공하지만, 또 다른 힘을 얻은 그는 온라인에 접속해 자신의 영역을 전 세계로 넓혀가기 시작하게 됩니다.

 

<출처> http://www.reellifewithjane.com/2014/04/movie-review-transcendence/

 

이 영화를 통해 인간이 기계가 된다면 그것을 인간이라고 볼 수 있을까? 라는 의문을 품게 됩니다. 모두가 한 번쯤 깊이 생각해볼 문제라고 생각합니다. SF영화의 결정판이라 불리는 ‘트랜센던스’에선 뇌 과학이 인공지능 원리와 결합한 과학 기술을 엿볼 수 있습니다. 
 
뇌는 1천억 개의 신경세포와 약 3천억 개의 교질세포로 이루어져 있으며 이들은 100개 조에 달하는 시냅스로 병렬적으로 연결되어 있어 동시에 여러 대규모의 정보를 빠르게 처리할 수 있습니다.

 

<출처>http://0jin0.com/2029

 

그리고 이렇게 복잡한 연결구조 임에도 또한 대단히 유동적이어서 마음대로 뉴런의 수를 늘리고 부피를 키우면서도 똑같은 기능을 유지할 수 있습니다. 엄청난 처리속도와 용량에도 불구하고 중량은 맥북 에어와 비슷한 1.4kg 정도에다가 샌드위치 하나의 열량이면 온종일 돌릴 수 있는 놀라운 연비마저 보여주고 있습니다. 현재 인공지능도 뇌과학 연구에 도움을 주고 있다고 합니다. 이에 과학자와 기술자들은 컴퓨터로서의 뇌의 기능에 주목하고 이를 접목한 차세대 컴퓨터 개발에 뛰어들고 있습니다.

 

<출처>http://0jin0.com/2029 

 

그렇다면 왜 뇌에 대해 연구하려고 하는 걸까요? 다른 분야에는 어떻게 활용될 수 있을까요? 먼저 '게놈 프로젝트(Genom Project)'라는 말을 다들 한 번씩은 들어보셨을 텐데요. 인간 게놈 프로젝트(HGP; human genome project)는 인간이 가지고 있는 게놈의 모든 염기 서열을 해석하기 위한 프로젝트로, 1990년에 시작되어 2003년에 완료되었습니다. 아직 시작에 불과하지만, 인간의 게놈을 해석하게 되면 의학, 약학, 생물학, 특히 암과 같은 유전자 연관 질환의 치료에 큰 도움이 될 것으로 보고 있죠.

 

 

 

<출처> [네이버 지식백과] 인간게놈프로젝트 [HGP; human genome project, 人間-] (두산백과)
http://www.nature.com/nature/journal/v421/n6921/fig_tab/nature01403_F6.html
http://lovelifeandbegentle.blogspot.kr/2011/11/facts-about-human-genome-project.html
http://www.davidstreams.com/mis-apuntes/human-genome-project/

 

하지만 유전적인 요인만으로 설명하기 어려운 뇌·신경 질환들이 있습니다. 최근 이에 대한 연구가 활발히 진행 중입니다. 특히 연구의 초석으로 뇌 지도를 완성하려는 연구들이 진행되고 있습니다. 이때 뇌 지도는 ‘커넥톰(Connectome)’이라고도 하며, 뇌의 신경 세포 간의 연결을 종합적으로 표현한 것입니다. 일종의 회로도라고 생각할 수 있겠네요. 현재 '휴먼 커넥톰 프로젝트'(Human Connectome Project)라는 이름으로 건강한 성인 뇌의 연결 구조를 밝혀내는 데 집중하고 있다고 합니다.

 

<출처> http://www.humanconnectomeproject.org/
http://science.dongascience.com/articleviews/special-view?acIdx=12633&acCode=1&year=2016
http://times.postech.ac.kr/news/articleView.html?idxno=8626

이 외에도 미국을 비롯한 선진국에서는 이미 뇌 과학 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 미국의 브레인 이니셔티브, 유럽연합의 휴먼 브레인 프로젝트, 일본의 브레인/마인드, 중국의 차이나 브레인이라는 이름으로 진행 중입니다. 대부분 2030년 이내에 프로젝트 완료 목표를 가지고 있죠.

 

 

<출처>https://www.whitehouse.gov/share/brain-initiative https://www.humanbrainproject.eu/ 미래창조과학부

최근 우리나라도 뇌 과학 연구 분야에 뛰어들었습니다. 미래창조과학부는 2027년에 완료를 목적으로 내년부터 뇌지도 구축과 인공지능 연계 기술개발 등을 위해 뇌 과학 원천기술 개발 사업을 통해 2023년까지 지도 작성한 후, 실용화 기술개발을 중심으로 연구를 진행할 계획입니다.

 

<출처>  미래창조과학부 블로그,

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=with_msip&logNo=220724123049&redirect=Dlog&widgetTypeCall=true

 

현재 KIST에서도 뇌 과학 연구를 하고 있는데요. 그중 김진현 KIST 박사님께선 쥐여우원숭이 뇌 신경망 지도를 구축하여 신경질환 원인 분석 치료법을 제시하기 위한 연구를 준비 중입니다. 김 박사님은 노벨상 펀드라 불리는 정부 간 국제협력기구 HFSP의지원을 받게 되었으며 한국에선 두 번째 지원대상자입니다. 앞으로 한국 뇌 과학 분야의 위상이 더 높아질 것으로 기대됩니다.

 

 

<출처> http://kiststory.tistory.com/2008 

 

 

뇌 과학은 이처럼 무궁무진하게 활용될 수 있습니다. 오랜 관심사였던 뇌·신경질환의 치료법 개발 및 인공지능 분야에도 머지않아 이용될 수 있을 것 같네요. 의학, 약학, 생물학뿐만 아니라 공학 분야에도 적용될 수 있을 것입니다. 현대 기술의 발달 덕분에 15년 계획이었던 게놈 프로젝트는 2년 앞당긴 13년 만에 완료되었습니다. 마찬가지로, 하루빨리 뇌 지도가 완성되어 뇌 질환 진단과 치료뿐만 아니라 뇌 과학 분야가 다양한 곳에서, 올바르게 사용되길 바라면서 글을 마칩니다.

 

 

 

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