뇌공학, 뇌과학의 필수 동반자

 

초고령화 시대를 맞아 각광받고 있는 의생명과학의 다양한 학문분야 가운데 뇌과학은 미지의 영역이 가장 많은 분야이다. 뇌를 구성하고 있는 수많은 신경세포들이 반복적이고, 복잡하게 얽혀서 네트워크를 구성하고 있어 그 기능을 이해하는 것이 쉽지 않기 때문이다. 구조를 잘 알고 있는 공학적 전기회로 네트워크도 복잡할 경우에는 그것을 파악하는데 어려움을 겪을 수밖에 없는데, 아무리 초고해상도의 현미경으로 관찰하더라도 실타래처럼 얽혀있는 복잡한 신경세포 간의 네트워크를 알아내고, 나아가 그들 상호 간에 주고받는 신호들과 이로 인해 작동하는 뇌 기능을 예측하는 것은 불가능에 가까운 일이다.
 
그럼에도 불구하고 과학자들은 과거에는 존재하지 않던 새로운 도구를 발명함으로써 최후의 과학적 난제인 뇌의 신비를 하나씩 풀어나가고 있다. 근대 뇌과학의 선구자로서 1906년에 노벨생리의학상을 수상한 라몬 이 카할(Ramon y Cajal)은 은염색법을 이용해 뇌가 독립된 신경세포들로 이뤄져 있음을 밝혀냈으며, 신경세포를 정교한 스케치로 남기기도 했다. 그런데, 카할의 업적은 노벨상을 공동수상한 카밀로 골지(Camillo Golgi)의 염색법과 근대의 정밀한 현미경의 발명이 없었다면 불가능했을 것이다. 이후 전자현미경의 등장으로 신경과학자들은 고해상도로 세포를 관찰할 수 있게 되었고, 이를 통해 신경세포들을 연결해 주는 물질이 시냅스에서 만들어지는 나노미터 크기의 소포체라는 사실을 증명할 수 있었다. 또한 전자공학과 컴퓨터의 발달로 뇌가 발생시키는 미약한 뇌파를 인체 외부에서 측정하고 정밀하게 분석할 수 있게 되었다. 최근에는 뇌조직을 투명화 하는 기술이 개발되어 뇌의 3차원적인 연결구조를 환상적인 컴퓨터 그래픽으로 관찰할 수 있어 뇌의 비밀에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 길이 열렸다. 

 

뇌과학 분야에서는 다른 어떤 분야보다 더 활발한 학문 간 융합이 일어나고 있다. 매년 미국에서 열리는 신경과학 분야의 최대 학회인 SFN(Society for Neuroscience)에서는 신경생물학자 뿐만이 아니라 물리학, 수학, 컴퓨터공학, 심리학, 전자공학 등 다양한 배경을 가진 수만 명의 과학자들이 모여 ‘뇌’라는 하나의 주제를 놓고 열띤 논의를 벌인다. 이러한 논의를 통해 새로운 과학적 발견을 위한 도구가 개발되고, 그 도구를 활용한 연구를 통해서 획기적인 연구성과가 나오는 것이 최근 뇌과학 분야의 추세라고 할 수 있다. 미국 오바마 정부가 2014년에 출범시킨 국가차원의 대형 뇌연구 프로그램인 BRAIN(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) Initiative의 주요 목표 가운데 하나가 혁신적인 신경기술을 개발하는 것이고, 신경세포를 모니터링하는 기술과 축적된 데이터를 효과적으로 분석하는 기술개발이 주요 과제로 포함되어 있는 것 또한 신경과학 분야의 발전에 있어 새로운 과학적 분석도구의 개발이 필수불가결한 조건임을 보여주고 있다. 국내에서도 2016년 수립된 뇌연구 발전전략을 바탕으로 대규모 연구투자 계획이 수립되는 등 뇌연구 분야가 최근 많은 관심과 지원을 받고 있다. 물론 미국, 일본, 유럽과 같은 선진국에 비하면 연구비 규모나 인프라가 턱없이 부족하지만 우리나라의 뇌연구 역량을 한 단계 도약시키는 계기가 마련되었다는 점에서 그 의의를 찾을 수 있다. 특히, 뇌공학 분야를 주요 연구분야 중 하나로 인정한 것은 뇌연구에 있어서 뇌공학의 중요성을 인식하고 있다는 점에서 고무적이다.

 

이처럼 최근 높아진 뇌공학의 중요성에 대한 인식이나 관심에도 불구하고 국내 뇌공학 연구가 크게 활성화 되고 있지 못한 것이 현실인데, 이것은 국내 공학 분야의 연구비 지원이 기초연구 보다는 응용연구에 치중되어 있어 기초연구인 뇌공학자들이 연구비를 확보하기가 어렵기 때문이다. 이러한 현실 속에서 국내 뇌공학자들은 선도형 연구보다는 추격형 연구에 비중을 두고 연구할 수밖에 없고, 그 결과 우리 뇌연구가 세계적인 연구그룹들을 뛰어넘을 수 있는 획기적인 연구성과를 낼 수 있도록 하는 ‘도구’를 제공하지 못하고 있는 것이다. 알파고 이후 불어온 인공지능 열풍으로 뇌연구에 대한 관심이 높아지면서 뇌공학에 대한 관심도 그 어느 때보다 뜨겁다. 인공지능이 기존 뇌공학의 범주에서는 생소한 분야이기 때문에 이 같은 관심에 다소 냉소적인 학자들도 있지만, 대중들의 관심이 새로운 바람을 일으키고 있다는 사실은 부인하기 어렵다. 이런 때에 해외의 주류 연구만 쫓지 않고 새로운 생각과 관점으로 새로운 문제에 도전한다면 대한민국 뇌공학만의 독특한 색깔을 낼 수 있지 않을까 하는 생각을 해본다. 지금은 더 이상 추격자가 아닌 뇌공학의 새로운 영역을 개척해 나갈 ‘퍼스트 펭귄’이 필요한 시점이기 때문이다.

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[매일경제] [Cover Story] 홍릉 바이오클러스터,

존슨앤드존슨 합류 `바이오허브` 육성…초기 인큐베이팅 최적

 

다국적 헬스케어 그룹인 존슨앤드존슨이 홍릉바이오클러스터에 `혁신 파트너링 오피스`를 설치하고 바이오 기업과 전문인력 지원사업을 벌이기로 했다. 서울시와 한국보건산업진흥원, 존슨앤드존슨은 최근 이 같은 내용을 골자로 하는 협력관계 양해각서(MOU)를 맺었다. 양해각서 체결식에는 박원순 서울시장, 이영찬 한국보건산업진흥원장, 블라디미르 마카차리야 존슨앤드존슨 아시아·태평양 메디컬 분야 회장, 동 우 존슨앤드존슨 이노베이션 아시아·태평양 대표 등이 참석했다. [...]

 

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[대덕넷] 생체 이식 신경전극으로 신경 장애 치료한다

 

국내 연구진이 장기간 신경 자극에 의해 발생하는 신경 신호를 안정적으로 기록할 수 있는 생체이식형 신경전극을 개발했다. KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 이수현 뇌과학연구소 바이오마이크로시스템연구단 박사팀이 권일근 경희대 치과재료학교실 교수팀, 도선희 건국대 수의과대학 교수팀과 공동 연구를 통해 다공성 나노섬유구조체 표면에 은 나노 입자를 전사한 신경전극을 개발했다고 6일 밝혔다. [...]

 

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[다른 언론사의 보도내용이 궁금하시면 아래 언론사 명을 클릭하세요]

 

동아사이언스 

조선비즈 

매일경제 

연합뉴스 

서울경제 

 

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안녕하세요! 한국과학기술연구원 서포터즈 5기 김용민, 최나영입니다!  앞으로 활동기간동안 여러분과 만날 수 있게 되어 너무 기쁩니다!  저희는 KIST인들이 어떤 연구를 하는지부터 시작해서 KIST인이 된 계기, 배경뿐만 아니라 취미까지! 그야말로 KIST인들의 머리부터 발끝까지 알아볼 예정입니다.  저희가 이번에 처음으로 만나본 KIST인은 바로 뇌과학분야와 로보틱스분야의 융합에 선두에 계신 ’바이오마이크로시스템연구단의 양성욱 박사님’이십니다!!(짝짝)
양성욱 박사님은 초소형 로봇을 이용한 바이오 분야나 의료분야에 관련된 응용연구를 수행하고 계시는 데요. 먼저 영상으로 만나보시죠!

 
Q1. 안녕하세요! 박사님, 먼저 간단하게 자기소개 부탁드립니다!

 

저는 바이오마이크로시스템연구단 양성욱입니다. 현재는 초소형 로봇을 이용한 바이오 분야나 의료분야에 관련된 응용연구를 수행하고 있습니다.  KIST는 2006년부터 2010년까지 있다가 2010년부터 2015년까지는 카네기멜런대학교에서 로보틱스 분야 박사학위를 전공하고 2015년에 복직해서 근무하고 있습니다.

 

Q2. 로보틱스를 전공하신 박사님께서 초소형 로봇 기술을 이용해 뇌과학분야에 도전하신 것이 굉장히 흥미롭습니다.  이렇게 다른 분야를 선택하게 되신 배경에는 어떤 일들이 있었나요?

 

기본적으로 관심이 있었던 분야는 기계와 전기&전자 분야였습니다.  그래서 관련된 실험실에 들어갔고 새롭게 정밀 광학측정 시스템을 구축하는 연구를 하였습니다.  연구를 위해서 과학 분야, 시스템에 관련된 프로그램을 공부하게 되면서 분야가 조금씩 변했습니다.  더욱이 KIST에서는 마이크로 로봇형태인 심장 세포를 올려놓으면 기어가는 초소형로봇을 본격적으로 연구하였습니다.  박사학위 들어가서는 컴퓨터 사이언스와 가까운 조금 더 제어 적인 연구들을 결합하면서 조금씩 분야가 변해간 것 같습니다. 
 

Q3. 박사님께서는 로보틱스를 전공하셨고, 다른 박사님들도 전기전자공학, 재료공학으로 연구 개발 응용 분야를 뇌과학/신경과학과의 새로운 접목을 꾀한 것은 대단히 도전적인 시도라고 생각하는데요. 뇌과학연구소 참여 초기에는 상이한 전공자들 간의 소통에 애로 사항들이 종종 있었다고 들었습니다. 어떤 애로 사항들이 있었나요?

 

가장 문제가 되었던 것은 기본적으로 서로 가지고 있는 백그라운드와 쓰고 있던 용어가 달라서 소통하는 데 어려움이 있었다는 점입니다.  두 번째로는 공학 분야와 기초과학 분야의 연구방법이 달라 접근방식이 다르다는 점이었습니다.  저희 쪽에서는 주로 사회에 흩어져 있는 문제를 해결해 내는 과정인데, 기초과학을 연구하시는 분들은 세상에 알려지지 않은 문제들을 밝히기 위하여 가정을 새우고 실험을 통하여 풀어내 가는 방법론적인 차이가 있어요.  같이 연구를 하게 되면서 서로 이해하고 보조해주는 역할을 하기 위해 서로가 노력 하고 있습니다.

 

Q4. 뇌신경과학 분야에서 초소형 로봇 기술은 기존의 방법과 비교해 어떤 장점이 있을까요? 

 

뇌신경과학 분야에서 초소형 로봇 기술은 기존에는 뇌를 이해하기 위해서 생체정보를 수집하고 해석하는데 초점이 맞춰져 있었어요.  근데 이제는 그것을 뛰어넘어서 컨트롤하고 변환해서 동작을 수행 할 수 있도록 하고 있습니다.  예를 들어서 쥐의 머리위에 초소형 로봇을 올려놓고 뇌 신호를 제어해 움직임을 컨트롤 할 수 있는 연구를 진행중입니다.
또한 예전에는 뇌신호를 분석하기 위해 사람의 컨트롤로 쥐의 머리위에 전극을 삽입하는 힘든 작업을 하였는데, 지금은 로봇이 그런 과정을 대신 하기 때문에 동물입장에서도, 인간입장에서도 편하게 연구를 할 수 있게 되었습니다.  

 

Q5. 뇌 신경신호 측정을 위한 전극 이동용 마이크로 매니퓰레이터를 발명하셨다고 하는데, 마이크로 매니퓰레이터에 대해 설명 부탁드립니다!

먼저 마이크로 매니퓰레이터를 이용해 머리에 전극을 이식해서 생체정보를 뽑아냅니다.  뽑아낸 정보를 통해 어떻게 움직이겠다, 어디로 움직이겠다는 것을 기기학습을 통해 인식시킵니다.  인식된 학습을 바탕으로 생각만으로 로봇을 움직일 수 있게 하는 것이 마이크로 매니퓰레이터의 주요 기능입니다.  이를 통해 전신마비환자도 생각만으로 몸을 움직일 수 있게 하도록 신경을 제어할 수 있습니다. 
그런데 이런 기계 하나에도 수 많은 기술들이 들어가게 됩니다. 신경신호를 분석할 수 있는 기술, 컴퓨터 사이언스에서 알고리즘을 생성하는 기술, 전극이 생체내에 들어갔을 때 안정적이게 하는 생체적합성 기술, 기계를 지고 다닐 수 있게 초소형으로 만들 수 있는 기술등이 복합적으로 작용한다고 보면 됩니다. 

 

Q6. 2015년도 IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 저널에 출판한 논문으로 2016년도 IEEE/ASME Best Mechatronics Paper Award를 지난 6월 20일에 수상하였습니다만, 박사님 논문의 간략한 컨셉과 수상을 하게된 계기가 어떠한 부분이라고 혹시 생각하시는지요?

기존에 논문은 큰 시스템에 관련된 것은 많지만, 초소형화 시스템에 걸맞은 알고리즘은 별로 없었습니다.  현재 상용화되어있는 큰 것을 초소형화 시켜 동작하기 위해서는 기능적으로 고려할 것들이 많습니다.  소형모터들은 힘이 약하고 센서를 가져다 쓰기도 어렵습니다.  그래서 이 논문에는 단순히 크기만 소형화하는 것이 아니라 초소형 모터들의 작은 힘을 고려해서 어떻게 구조를 만들면 최대의 힘을 낼 수 있을지 크기, 길이를 최적화하는 내용이 담겨있습니다.  이런 디자인을 최적화하는 기술을 통해서 초소형 모터에 기반을 둔 최적화 설계 알고리즘을 기반으로 매니퓰레이터 디자인하고 성능 검증하는 내용을 담고 있습니다.

 

Q7. KIST에 들어온 계기는 무엇이며, KIST의 융합연구는 어떻게 시작 된 것인가요?

서울대학교에서 학부 석사를 마치고 병역특례를 하기 위해서 KIST에 들어왔습니다.  병역특례 기간보다 조금 더 있으면서 몸속을 기어가는 내시경 로봇을 만들었는데, KIST의 융합연구는 그때부터 시작되었습니다.  기본적으로 몸에 들어갈 수 있는 로봇을 개발하기 위해서는 기계 자체가 작아질 수밖에 없습니다. 그래서 ‘초소형 바이오 마이크로 시스템과 뇌과학 분야를 합쳐 시너지를 내자‘라는 움직임이 있었습니다.  그 일환 중에 하나로 ’동물의 움직임에서 센서를 만들어 내는 것‘, ’몸에 붙이는 센서를 만드는 것‘과 같은 다양한 융합연구가 시작된 것입니다. 해외 어디를 봐도 KIST처럼 융합연구를 하기 적합한 곳은 별로 없는 것 같아요.

 

Q8. 향후 초소형 로봇기술은 어떤 곳에 쓰이고, 어느 정도까지 변화가 있을 것으로 생각하시나요?

로보틱스라는 학문 자체가 융합연구이기 때문에 로봇이 적용되는 분야는 다양할 수 있습니다.  초소형 로봇기술은 Cell Manipulation에 적용될 수 있고, MIcro patterning쪽에도 적용할 수 있습니다.  제가 생각하고 있는 로봇 분야는 사람처럼 동작하는 것뿐만 아니라 사람이 제어하는 것의 한계를 극복할 수 있는 로봇입니다.  아직 바이오, 의학 분야에는 인체의 한계 때문에 탐구하지 못하는 분야가 있으므로 초소형로봇기술을 이용한다면 새로운 문제를 풀어나갈 수 있을 것입니다.

 

Q9. 박사님께서 생각하는 좋은 연구는 뭐라고 생각하세요?

대학원을 진학하는 과정에서 내가 어떤 분야를 잘할 수 있고, 부족한 분야는 어떻게 메이크업을 해야 내가 생각 하는 것을 구연할 수 있을지, 만들 수 있을지 생각하게 됩니다.  그런 과정에서 연구는 경쟁적 일수밖에 없습니다.  좋은 연구는 사회적 연구 의미가 있는 연구일 수도 있고 경쟁적으로는 세계적으로 살아남는 연구들일 수도 있습니다.  경쟁적이라는 것이 싸우고 좋은 성과를 내고 이런 것이 아니라 이제는 연구의 눈높이를 텍스트가 아닌 같이 연구하는 연구원들과 눈높이를 만들 수 있도록 하는 것이 노력하는 것이라고 생각합니다.

 
Q10. 박사님처럼 여러 분야의 학문을 접목시켜 연구하기 위해 꿈을 키워가는 청년들에게 해주고 싶으신 말이 있나요?

기회가 된다면 다른 분야의 공부를 접할 수 있었으면 좋겠습니다.  다른 분야의 공부를 시작할 때 나보다 오래 공부한 사람들보다 잘할 수 있을까? 라는 물음표를 던지기보다는 도전하는 것을 두려워하지 않았으면 좋겠습니다. 제가 주변에서 성공하시는 분들을 봤을 때는 분야를 바꿀 때 어려움이 많지만, 주변에 노력으로 허들을 뛰어넘은 분들이 많습니다. 본인이 새로운 것에 대해 도전하는 두려움이 없는 것이 가장 중요할 것 같습니다.

 

 

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[서울신문] [김진수의 바이오 에세이] 유전자 에디팅,

교정인가 편집인가?

 

“중국 과학자들이 인간의 배아를 편집했다”, “유전자 편집 과일, 슈퍼마켓 덮치다”와 같은 자극적인 제목의 기사가 독자들의 주목을 끌고 있다. 크리스퍼 유전자가위를 이용해 인간 및 동식물의 유전자를 쉽게 고쳐 쓸 수 있게 되면서 하루가 멀다 하고 관련 연구 성과가 소개되고 있다.

 

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KIST 강릉분원, '천연물 라이브러리' 활용체계 구축

 

라이브러리를 말그대로 번역하면 도서관이겠죠 ㅎㅎ 하지만 꼭 책만 있어야 라이브러리는 아닙니다. KIST강릉분원에서 천연물!! 라이브러리를 오픈했습니다. 이는 천연물 연구 개발과 산업활성화를 위한 강릉분원의 노력의 일환인데요. 아래 기사에서 그 자세한 내용 확인해 보세요

[연합뉴스 기사보기]

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'창업 생태계' 구축에 방점... 바이오·의료 메카로 부활 날갯짓

 

홍릉단지가 본격적인 개발에 들어가는 모양입니다. 이곳은 KIST를 비롯해 대학, 병원 등이 밀집해있어 바이오 의료 분야의 융합 시너지 효과를 기대하고 있습니다. 서울시에서도 야심차게 준비하고 있는데요. 그 현장 아래에서 확인해보세요

 

[세계일보 기사보기]

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[PEOPLE] 롤랜드 부쉬 지멘스 부회장

서울 ‘바이오·의료 클러스터’ 조성에 앞장

 

지난번 서울시의 홍릉지역 바이오 R&D 클러스터 조성과 관련한 글을 소개해드렸었는데요~ 관련하여 지멘브 부회장이 과연 어떤 사람인지에 대해서 좀더 궁금 했던 분들도 많을 것으로 생각합니다. 이번 매일경제 PEOPLE 이 롤랜드 부쉬 부회장에 대해 좀더 자세하게 살펴보았습니다. 아래 기사에서 그가 어떤 사람인지 읽어보세요

 

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[이슈분석]서울시, 산업지도 다시 쓴다

 

서울시의 산업구조 개편과 관련하여 KIST가 위치하고 있는 홍릉단지에 대한 내용도 포함되었습니다. 홍릉일대는 KIST가 1966년 설립된 이래 대한민국 과학기술발전의 HUB 역할을 해왔습니다. 이제 이러한 장점을 살려 바이오-의료 R&D 허브로 육성한다는 것이 서울시의 의견입니다. 자세한 내용 아래의 기사에서 확인하세요

 

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미래부, 2016년 바이오 미래포럼 개최

 

미래창조과학부(미래부)는 ‘2016 바이오 미래포럼’을 서울 강남 한국과학기술회관에서 7~8일 양일간 개최합니다. 개회식에선 바이오 연구·산업·정책분야 발전에 기여한 유공자 6명이 미래부 장관 표창장을 받게 되는데요, 한국과학기술연구원(KIST) 황교선 박사님이 포함되어 있습니다. 자세한내용은 링크에!!!

 

[동아사이언스 기사보기 | 에너지경제 기사보기 | 연합뉴스 기사보기]

 

(KIST 황교선 박사)

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