[사이언스포럼]뇌 연구, 경계를 넘어 어우러짐으로

 

  인종과 문화의 장벽은 갈등과 분쟁의 원인이지만 그것을 극복하는 과정에서 사회는 진보한다. 과학의 경우도 마찬가지로 이론과 실험, 기초와 임상, 학계와 산업계 등 각기 다른 영역의 접경지대에서 오해와 충돌이 빚어지는데, 이를 해결해가는 과정에서 새로운 발견과 혁신이 탄생한다. 하지만 불행히도 많은 경우 경계 너머에 대한 막연한 두려움은 과학자들로 하여금 자신의 전문분야 테두리 안에 매몰되게 하고, 이로 인해 경계 지역에서의 활발하고 생산적인 교류가 위축되는 것이 현실이다. 

  일반인들에게는 뇌 과학이라는 학문분야로 더 친숙한 신경과학은 다양한 학문의 경계선상에 구축된 대표적인 학문이라고 할 수 있다. 초창기 그 출발은 생물의 중추 및 말초 신경계의 구조와 기능을 연구하는 생물학의 한 분야였지만, 이내 물리학, 수학, 생리학, 분자생물학, 심리학, 컴퓨터과학 등 전혀 다른 언어와 체계를 가진 다양한 학문들이 합류하면서 한데 어우러지는 특별한 길을 걸어왔다.

  이와 같은 흐름은 신경계, 그중에서도 뇌라는 기관의 구조와 기능의 복잡성에 기인한다고 볼 수 있다. 신경계가 작동하는 기본 단위는 뉴런이라는 신경세포인데, 하나의 뉴런은 서로 다른 뉴런뿐 아니라 인체에 분포하는 수많은 세포들과도 상호작용을 일으킨다. 각각의 뉴런이 촘촘한 가지를 뻗어 외부와 접촉하고, 시냅스라 불리는 접촉면에서 다양한 전기화학적 신호를 주고받는 모습은 마치 자연이 진화를 통해 만들어낸 집적회로를 연상케 한다. 이와 같이 인간은 뇌라는 강력한 연산장치와 그곳에 연결된 근육이나 신체기관을 이용해 인체의 항상성을 유지할 뿐 아니라 주변 환경 또는 다른 개체들과 소통하고 교감하며 집단을 이루고 살아간다.

  20세기 후반, 신경과학의 초창기에 활약했던 카할(Santiago Ramony Cajal), 골지(Camillo Golgi), 셰링턴(Charles Scott Sherrington) 등은 해부학, 조직학, 광학, 생리학 등의 분야를 넘나들며 신경계라는 난해하고도 중요한 대상의 기본구조와 작동원리를 규명하기 위해 노력했다. 오늘날 현대 신경과학을 지배하는 광유전학 패러다임 역시 레이저 광학과 유전공학을 결합해 밀리초 단위로 특정 뉴런을 제어하고 조절하는 방법을 개발하는데 성공함으로써 신경회로와 행동의 인과관계를 밝히는 단초를 제공하고 있다. 한편, 최근 미국 등 신경과학 강국들이 대규모 투자를 집중하고 있는 연결체학(connectomics) 또한 물리학적 뇌영상기법, 분자생물학적 세포 추적기법, 초고해상도 광학현미경 및 전자현미경 광학기법, 대용량 데이터 처리 및 분석기법 등 다양한 분야의 기술이 적용되어 신경계의 네트워크 구조와 역학이 건강한 뇌의 기능과 병든 뇌의 병태생리에 어떤 영향을 미치는지 탐구하는 것이다.

  이처럼 신경과학의 발전은 다양한 분야의 전문가들 간의 효과적인 의사소통과 협업을 통해 물질과 정신의 연결고리를 이해하고, 손상된 고리를 치료하고자 하는 궁극적인 목표를 달성할 수 있도록 하는 유연한 환경을 조성하는 일에 달려 있다고 할 수 있다. 따라서 대학에 뇌 연구 관련 학과를 설치하고, 대규모 정부 지원금을 조성하고, 중개연구자를 국가 차원에서 양성하는 등 정책적인 차원의 지원도 중요하지만, 정책 이전에 서로 다른 학문적, 기술적 배경을 가진 인재들이 자연스럽게 어울리는 것이 하나의 문화로 자리 잡는 것이 더 중요하다고 생각한다.다른 분야의 과학자들 간의 어우러짐을 촉진하는 가장 간단한 방법은 공간을 활용하는 것이다. 함께 어우러지기 위해서는 물리적으로 같은 공간에서 형식의 틀에 구애받지 않고 대화할 수 있어야 하기 때문이다. 연구소나 대학의 연구공간에 IT 스타트업에서 자주 볼 수 있는 대화와 소통을 위한 공간을 배치해 특별히 마주칠 일이 적은 불특정 다수가 만날 수 있도록 하는 것만으로도 의미 있는 효과를 거둘 수 있을 것이다. 

  물리적 공간 못지않게 데이터의 공유도 중요하다. 이와 관련해 최근 데이터 분석에 사용된 데이터 원본과 알고리즘의 코드를 공개하는 것을 의무화하는 학술지의 증가추세와 오픈소스 소프트웨어의 발전 속도에 주목할 필요가 있다. 신경과학 분야에서 데이터는 복잡한 뇌기능을 담고 있는데 반해 대부분은 특정 연구팀이 특정 연구목적에 준하여 분석하고 있어 다각적 분석 접근으로 데이터 마이닝과 빅데이터 구축을 위한 데이터 공유가 필요하다. 뿐만 아니라 공유된 데이터가 의미를 가지기 위해서 데이터 표준을 마련하는 작업도 선행되어야 한다. 이것은 한 국가에서 다양한 지역의 방언과 더불어 공용어가 존재하는 것과 같은 맥락이다. 각각의 분야가 뇌를 바라보고 탐구하는 관점이 다르기 때문에 측정하는 신호의 종류와 시공간적 스케일이 상이할 수밖에 없는데, 서로 다른 언어의 데이터가 경계를 넘어 사용되기 위해서는 데이터 그 자체와 그것을 측정하는 방법에 대한 정량적 표준을 함께 만들어야 한다.

  복잡하지만 체계적으로 연결되어 정보를 신호화하고 전달함으로써 사고, 판단, 인지 기능을 가능케 하는 인간의 뇌에는 경계가 없다. 하지만, 그런 뇌를 연구하는 사람들의 마음속에는 다양한 형태의 경계와 장벽이 존재하고, 이로 인해 뇌를 더 깊이 이해하고자 하는 연구 활동은 한계에 부딪힌다. 실제 뇌 속에는 존재하지 않지만, 그것을 연구하는 과학자들 스스로가 만든 벽이 걸림돌이 된다는 사실은 참으로 아이러니하다. 하지만, 뇌의 비밀에 한 걸음 더 다가가기 위해서는 경계와 장벽을 넘어, 전통적인 접근방식이 아닌 새로운 방식이 필요하기에 다양한 학문분야가 어우러질 수 있는 연구 마인드와 환경을 조성하는 일은 무엇보다 중요하다.

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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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[아시아경제] [사이언스포럼]뇌 관련 학과가 없는 한국의 대학

-오우택 KIST 뇌과학연구소장- 

 

의학의 발달로 사람의 수명은 급격히 늘어나고 있지만 모두가 건강하게 오래 사는 것은 아니다. 주변을 살펴보면 나이가 많이 들수록 한두 가지의 만성질환을 앓지 않는 사람이 없다. 특히, 퇴행성 뇌질환은 노인들의 대표적 질병이지만, 이를 완치하는 치료제나 방법이 없다는 점에서 그 심각성은 다른 질병과 비교할 때 비교할 수 없을 정도로 크다. 이로 인해 이들의 복지를 담당하는 국가나 사회의 부담도 크게 증가하고 있어 오늘날 중요한 사회문제로 부각되고 있다.[...]

[아시아경제 사이언스포럼 보기]

 

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[전자신문] 오우택 KIST 뇌과학연구소장

"AI 위협적이나 인류 도전 계속될 것"

 

[...]새해 1월 1일자로 KIST에 부임한 오 소장은 신경과학 분야 귄위자로 2010년 대한민국최고과학기술인상을 수상하고, 제2차 뇌연구촉진 기본계획 추진위원회 위원장, 한국뇌신경과학회장 등을 역임했으며, 한국파스퇴르연구소 이사장과 한국뇌연구협회장 등을 맡고 있다.[...]

 

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[대덕넷] "'科技' 경제·일자리 창출 최적의 길···뒷바라지 하겠다"


 "여성과학기술자들의 어려움 중 하나는 남성중심의 네트워킹이다. 우리가 젊은 여성과학기술자들의 어려움을 극복할 수 있도록 돕겠다. 2017년은 각자 역할에서 즐겁게 연구할 수 있는, 행복한 연구를 할 수 있는 한해가 됐으면 좋겠다." (임혜원 KIST 신경과학연구단장)
 
 "한국과학자상은 연구를 시작한지 19년 만에 수상한 뜻깊은 상이다. 기초과학은 우리나라 과학기술 발전의 기초가 될 것이다. 정부의 지속적인 지원과 격려를 부탁한다."(박제근 서울대 물리천문학부 교수)[...]

 

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[YTN사이언스] KAOS 강연 '착각하는 뇌'

 

KIST 뇌과학연구소 신경과학연구단의 정수영 박사님이 재단법인 KAOS에서 진행하는 뇌 관련 강의를 하셨습니다. 영상과 재미있고 쉬운 설명을 통해 뇌가 어떻게 사물 정보를 왜곡해서 받아들이는지 그 원인에 대해 말씀해주셨는데요. 요즌 KAOS 강의 신청하는것도 쉽지 않은 일인데 다행히도 YTN 사이언스에 그 영상이 링크되어있어서 소개드립니다. 아래의 홈페이지에 접속하셔서 강연 들어보세요 ^^

 

[YTN 사이언스 방송보기]

 

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국내 최고액 경암학술상…수상자 4명에 각 2억원 지급

 

국내 학술상 중 최고액의 상금을 자랑하는 경암학술상 생명과학부분 수상자로 KIST 신경과학연구단의 이창준 단장님께서 선정되었습니다. 경암학술상은 송금조 태양그룹 회장이 사재 1000억원을 기부하여 설립된 재단으로 2004년부터 국가 발전에 이바지해온 학자와 예술가를 대상으로 수상하고 있습니다. 자세한 내용은 아래 링크 기사에서 확인해 보세요

 

[연합뉴스 기사 보기]

 

[다른 언론사의 보도가 궁금하시다면 아래 언론사 명을 클릭하세요]

조선일보 

중앙일보

동아일보 

문화일보 

경향신문

 

 

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[OBS '명불허전'] 기초과학연구원 신희섭 단장 "내 일상이 곧 뇌 연구"

 

KIST 신경과학센터장과 뇌과학연구소장을 맡으셨고 지금은 기초과학연구원의 단장을 맡고계신 신희섭 박사님의 이야기가 OBS에서 소개되었습니다. 신희섭 박사님은 2006년 제 1호 국가과학자로 선정되시기도 했는데요. 그 이야기 아래 링크에서 만나보세요.

 

[OBS News 기사보기| 방송보기]

 

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[사이언스포럼] 뇌연구 신흥강국으로의 도약을 위하여

 

 

KIST 임혜원 박사님은 현재 KIST 신경과학연구단장이자 21대 한국 뇌신경과학회장으로 계십니다. 뇌연구에 관한 임혜원 박사님의 이야기 들어볼 가치가 충분하겠지요? 아래 링크를 클릭하세요

 

[아시아경제 기사보기]

 

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