[IT리더스 포럼]뇌연구, 뇌질환 극복·인공지능 개발 위해

선진국은 투자 확대 추세

 

얼마전에 김동진 뇌과학연구소장님의 기고가 있었는데요 이번에는 소장님이 IT리더스 포럼에서 뇌지도 작성과 관련된 강연을 해주셨습니다. “뇌 연구를 하는 목적은 두 가지다. 뇌 기능 이해 및 뇌 질환 치료를 위해서이고, 또 하나는 인공지능(AI)으로 활용하는 것이다.”라고 말씀하시는 소장님의 강연을 아래 링크에서 기사로 만나보세요

 

[전자신문 기사보기]

 

 

 

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김진현 KIST 박사, HFSP 연구비 지원대상자 선정

쥐여우원숭이 뇌 신경망지도 구축…신경질환 원인 분석 치료법 제시



작은 동양소녀가 독일의 한 연구소를 찾았다. 독일어를 배운 적도 없는 이 소녀가 베를린 행 비행기를 탄 것은 이곳에서 박사학위를 해야겠다는 의지 하나 때문이었다. 사전약속 없이 연구소를 찾아온 그녀를 비서가 저지했지만 이를 지켜보고 있던 독일 연구자의 권유로 독일에서의 연구생활이 시작됐다. 작은 약 하나가 우리 뇌를 컨트롤하는 것에 호기심을 느껴 뇌 과학 연구에 뛰어든 과학자. 김진현 KIST 기능커넥토믹스연구단장 이야기다.


"당시 우리나라 연구자들은 미국유학에 익숙해 미국 연구문화 영향을 많이 받았어요. 더 다양한 시선으로 과학을 바라보고 연구문화 등을 접해보고 싶어 전통과학기술을 연구하는 독일에 가야겠다고 마음을 먹었습니다. 암과 뇌 관련 연구에 관심이 많았는데 독일에서 뇌 연구에 본격 집중을 하게 됐습니다. 대학 졸업 후 바로 독일에 갔으니 20대 초 중반. 참 젊었네요.(웃음)"



독일유학 이후 미국 등에서 연구 생활한 그는 5년 전 WCI(세계수준의 연구센터)를 통해 KIST에 초빙돼 모국으로 돌아왔다. 그가 소속된 기능커넥토믹스연구단은 뇌회로 지도분석을 통해 뇌질환 원인을 규명하고 이를 치료하기 위한 표적발굴 및 치료기법개발에 노력 중이다. 그는 뇌신경망을 3D영상으로 표현하는 기술을 개발하고, 쥐의 뇌를 시각화했으며, 기억력이 더 잘 발휘되는 이유 등을 규명한 바 있다.


최근 김 박사가 '노벨상 펀드'로 불리는 '휴먼 프런티어 사이언스 프로그램'(HFSP)의 생명과학 분야 연구비 지원대상자로 올해 선정됐다. 신진 연구자 675개 팀이 지원한 가운데 김 단장 연구팀을 포함한 25개 팀이 최종 선정된 것. 한국인으로는 두 번째 지원대상자다.


HFSP 준비 등으로 눈 코 뜰새 없이 바쁜 김진현 단장을 만났다. HFSP 지원 동기 및 향후 연구계획 등을 들어봤다. 


쥐여우원숭이 대상 뇌신경망지도 구축 “보고 많지 않아 기대 커”


HFSP는 연구자들 사이에서 연구를 위한 프로그램으로 통한다. 연구시작도 연구자가 원할 때 가능하며, 연구비를 전부 쓰지 하지 못하더라도 다음해에 사용할 수 있다. 김 단장은 “연구의 시작과 끝을 연구자들이 정하는 등 유연성 있는 프로그램으로 현재 각 국의 연구팀과 준비과정을 거치고 있다”고 말했다.



연구준비를 마치면 김 박사는 3년간 쥐여우원숭이를 대상으로 최신 분자해부학 기술, 살아있는 신경활성모니터링 기술, 광유전학 기술을 접목해 뇌 신경망지도를 구축, 신경망 이상으로 인한 신경질환의 원인 분석과 치료방법을 제시할 예정이다. 


이를 위해 스위스 제네바대의 다니엘 후버 교수와 프랑스 국립과학연구센터 피페리 파비앙 박사팀 등 해외 2개 연구팀과 손을 잡는다. HFSP는 세계 3개 이상 연구팀이 공동연구 전제 하에 연구비를 지원한다.


다니엘 후버 교수팀은 행동 패러다임을 이용한 생체 내 신경활성모니터링 기술 강점을, 프랑스 연구팀은 400개 이상의 쥐여우원숭이 개체를 보유하면서도 이를 통한 행동학 분야 전문기술을 확보하고 있다. 김진현 단장팀은 뇌의 분자적, 해부학적 분석기술을 보유하고 있다.



김진현 단장은 "각 팀의 강점을 융합해 다양한 신경과학연구 모델시스템을 구축할 수 있을 것"이라며 "상호보완 연구가 가능할 것"이라고 말했다.


쥐여우원숭이를 통한 뇌연구는 다른 동물실험에 비해 보고가 많지 않은 분야다. 김진현 단장도  쥐를 이용한 연구를 주로 해왔다. 그 동안 연구내용을 쥐여우원숭이에 접목할 수 있을까? 쉽게 말해 가능하다. 쥐여우원숭이의 뇌 크기가 쥐와 유사해 KIST가 기존에 보유하고 있는 실험결과를 적용하고 분석, 비교하는데 크게 어려움이 없다. 특히 인간의 뇌를 연구하기 위해 영장류를 이용한 연구가 필요한 가운데 임신기간이 짧고 사육방식이 어렵지 않은 쥐여우원숭이를 통해 다양한 연구가 가능할 것으로 기대된다. 



김 단장은 “쥐여우원숭이를 통한 연구가 많이 이뤄지지 않은 만큼 새로운 발견이 기대된다”며 “궁극적으로 사람의 뇌에 적용할 수 있는 연구를 하는 것이 목표다. 초소형 영장류인 쥐여우원숭이를 이용한 연구가 사람에게 적용될 수 있도록 할 것”이라고 강조했다.


특히 그는 “우리는 파킨슨병과 자폐 등에 관심이 많다. 사회성이 떨어지더라도 한 분야에 천재성을 나타내는 자폐의 경우 가설이 존재할 뿐 정확한 원인이 밝혀지지 않은 상황이다. 어떤 이유로 치매, 자폐 등이 일어나는지 눈으로 확인할 수 있는 뇌지도 구축에 힘쓸 것"이라고 말했다.








 



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브래들리 박사, 뇌 활동 시각표현 가능 '형광전압센서' 개발

'파도·소나기·나비' 등 "기술 특이성 설명 위해 한국 전래동화 즐겨 읽어"

"형광전압센서 개발 통해 뇌의 작동원리 시각적 표현 목표“


KIST 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단의 브래들리 베이커 박사는 연구개발성과에 순 우리말 이름을 붙인다. 5년 전 한국에서 연구활동을 시작하면서 만든 룰이다. "한국 전래동화를 즐겨읽는다"는 그는 책을 통해 혹은 지인의 도움을 받아 이름을 붙이고 있다.


"한국으로부터 지원 받아 연구를 하고 있으니 당연한 일이라고 생각한다. 한글이름이 붙여진 성과가 다양한 곳에 알려지는 일은 개인적으로도 굉장히 기쁜 일이다."


브래들리 박사는 뇌의 활동을 시각적으로 측정할 수 있는 형광탐침(형광전압센서)을 개발하고 이를 통해 뇌의 신경활동을 측정하는 연구를 한다. 그동안 개발한 형광탐침에 Sonagi(소나기), 봉우리(Bongwoori) 등 순우리말 이름을 붙였다. 



그는 "소나기는 신경세포 활성이나 세포 전기활성을 형광 단백질로 측정 반응속도가 마치 소나기처럼 빠르다는 것에서 따왔다"며 "봉우리는 탐침을 통해 측정된 광학적 신호가 마치 산봉우리모양으로 보여 따온 이름"이라고 설명했다.


최근 브래들리 박사는 'Pado(파도)'라는 새로운 형광탐침개발에 성공했다. 형광탐침을 통해 측정된 신호가 파도치는 형상에서 모티브를 얻어 붙여진 이름이다. 파도는 뇌 속 신경세포의 전기적 활동은 물론 pH(산성도) 조절 및 관찰이 가능하다. 뇌 속 산성도의 변화는 암이나 신경질환 등 질병과 연관성이 높다고 알려져 있어 뇌질환의 원인과 산성도 농도 변화와의 상관관계를 규명하는데 도움을 줄 것으로 기대된다.




“완벽하지 않다? 꾸준한 연구, 新기능 발견으로 가는 길”


"파도는 사실 성공적이라고 생각하지 않았다. 특이한 성질을 갖고 있어 탐침으로 사용이 어렵다고 판단했기 때문이다. 그러나 특이한 성질은 새로운 기능 발견으로 이어졌다. 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생과의 독자적인 연구를 통해 이루어진 성과로 그 의미가 더욱 깊고 강복음 학생에게도 감사의 인사를 전하고 싶다."


브래들리 박사의 형광탐침은 DNA로 구성돼있다. 덕분에 특정세포에만 특이적으로 형광발현이 가능, 원하는 신경계의 활동을 관찰할 수 있다. 기존에는 번거로운 전극을 사용하거나 원형질막을 물들이는 염색체를 이용해 신경계 활동을 관찰했지만 이 경우 접촉되는 세포 모두 물들어버려 특정회로를 보는 연구가 불가능했다.


그러나 DNA로 구성된 형광탐침에도 난제는 존재한다. 브래들리 박사는 형광탐침 파도의 독특한 성질 때문에 해당 연구를 지속할지 고민했었다. 탐침으로 전압을 측정하려면 전압이 바뀌는 세포 막주변에서 측정을 해야 하는데 파도는 세포 속으로 들어가 버리는 성질을 갖고 있었기 때문이다.


그는 파도의 성질을 역 이용했다. 그 결과 세포 밖에서는 전압을 측정하고 세포 안에서 산성도를 측정하고 조절하는 기능을 발견했다.


또 그는 파도를 통해 세포의 산성도에 변화를 주었을 때 단일세포가 아닌 세포와 연결된 또 다른 세포의 산성도에도 영향을 주는 것을 발견했다. 이 발견은 산성도 변화의 원리부터 크게는 산성도 변화에 따라 발생되는 뇌질환 등의 각종질병의 근본적인 원인까지도 파악이 가능하다.


그는 "세포와 연결된 또 다른 세포의 산성도가 빠져나가는 것을 확인한 것은 뇌가 연결되어있는 구조 등을 시각적으로 확인 가능하다는 것을 의미한다"며 "이 연구가 강복음 UST학생과 독자적으로 수행했기에 더 의미가 깊다"고 학생연구원에게 감사의 말을 아끼지 않았다. 


해당연구는 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports) 4월 4일자 온라인판에 게재됐다.

 

그는 독특한 특성을 가진 또 다른 탐침연구 '청개구리'연구도 진행 중이다. 청개구리는 활동성에서 신호를 보이는 것을 예측했지만 그와는 반대로 억제성을 보이는 구간에서 큰 신호를 보이는 형광탐침이다.


"너무 부정적인 이름은 좋지 않을 것 같아 고민하다 한국 전래동화에서 읽은 청개구리가 생각났다. 한국친구들에게 물어보니 참 좋은 이름이라고 하더라. 그래서 붙여지게 됐다."


청개구리는 아직 성능이 완벽하지 않지만 새로운 기능을 가져 뇌 활동성을 규명하는데 도움이 될 것으로 기대된다. 


브래들리 박사는 "뇌를 볼 때 활동성 뿐 아니라 억제성도 같이 보는 것이 중요하다"며 "청개구리는 사실 억제성을 보기 위해 개발했지만 활동성까지 발현하는 특징을 가진 탐침으로 확인됐다. 성능은 완벽하지 않지만 파도처럼 꾸준한 연구로 다른 기능을 얻을 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.




“뇌의 작동을 한 눈에…탐침개발로 궁극적 목표 달성할 것”


기능커넥토믹스연구단의 최종목표는 뇌 지도다. 즉 뇌의 기능적 회로 분석을 통해 뇌가 어떻게 작용하는지 이해하는 것이다. 


그는 "우리가 팝콘냄새를 맡았을 때 이게 왜 팝콘인지 이해하고, 노래와 대화를 구분하는 능력, 물에 들어갔을 때 차가움을 느끼다 적응하는 이유가 무엇인지 등 뇌의 작동원리를 시각적으로 보는 것이 목표"라고 말했다.


아직 갈 길이 멀지만 그는 형광탐침 개발을 통해 뇌의 활동과 세포간 연결고리를 파악하는 연구를 지속할 계획이다.


브래들리 박사는 "형광탐침에 따라 세포들의 파장의 변화는 확인됐으나 왜 일어나는지 직접적인 연결고리가 파악이 되지 않은 상태"라며 "새로운 형광탐침에서는 이유까지 밝혀내는 기능을 탑재할 계획"이라고 말했다.


이어 그는 "한국은 뇌를 자극해 신경퇴행성 질환을 치료하는 연구에 강하다. 그러나 왜 자극을 통해 치료가 가능한지는 아직 많이 밝혀지지 않았다"며 "우리 연구단은 뇌가 어떻게 작동하는지 전체적으로 하나의 지도를 만들어 연결체를 보는 것이 목표로 새로운 형광센서가 이 목표를 궁극적으로 달성할 수 있도록 하겠다"고 덧붙였다.
















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  1. BlogIcon 이지영 2016.04.30 16:51 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    멋쟁이 과학자님 건강하게 사시면서 연구하시는 결과 잘 이루시길 바래요^^