성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과

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Department News

김성기 교수, 국제자기공명의과학회 골드메달 수상
2024-09-10
우리 대학 김성기 교수는 1992년 기능적 자기공명영상(fMRI) 방법을 인간에 적용한 최초 과학자 중 한 명이다. 폴 로터버(Paul Lauterbur) 미국 피츠버그대 석좌교수직을 지냈으나 대한민국 뇌과학 발전을 위해 귀국해 2013년 IBS에 합류했다. 이번 국제자기공명의과학회에서는 인간과 동물 연구를 통해 fMRI 신호의 기본적인 생리학적 기초를 이해하는 데 기여한 공로를 인정받아 골드메달을 수상하기도 했다. 기초과학연구원(IBS) 뇌과학이미징연구단 단장이자 성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 석좌교수 직을 맡고 있는 김성기 교수의 이야기를 들어보자. | fMRI 김성기 교수는 화학자로 과학자의 길을 걷기 시작했다. 학부에서는 화학(경북대 응용화학과 76학번)을, 미국 세인트루이스의 워싱턴대학에서는 물리화학을 연구했다. “대학에서는 응용화학을 공부했어요. 돌이켜보니 제 연구 분야와 접점이 없는 전공이었네요. 하지만 그 당시에는 화학 분야에 관심이 있었어요. 미국에서 물리화학을 공부해서 박사 학위를 받았고 박사후연구원(Postdoctoral researcher) 생활도 화학과에서 했어요.” 핵자기공명기(NMR)를 이용해 기계의 작동 원리를 연구하던 그가 어느 날 자기공명영상(MRI) 연구에 뛰어든 이유는 무엇이었을까. “포닥(Post-Doc) 생활 후에 잡(Job)을 구하면서 MRI 연구를 시작했어요. 포닥으로 일할 때 미네소타대학 방사선과 카밀 우거빌 교수로부터 ‘기능성 MRI (fMRI)’ 연구 합류 제안을 받았거든요. 어떻게 보면 우연히 새로운 분야에 발을 내디딘 거죠. MRI 연구는 처음이었지만 화학과에서 사용하던 NMR과 MRI의 작동 원리가 같아서 큰 부담 없이 우거빌 교수의 제안을 받아들였어요. 우거빌 교수의 좋은 장비를 가지고 연구해 볼 수 있다는 점도 매력적이었어요.“ 우거빌 교수의 제안을 받아들인 김성기 교수는 미네소타대학 NMR 연구센터에서 fMRI 연구를 시작했다. 그는 fMRI 연구 1년 만에 ‘fMRI의 아버지’ 오가와 박사와 이 분야에서 쓴 첫 번째 논문을 발표한다. 김성기 교수는 이를 ‘fMRI를 사람에게 쓸 수 있다는 걸 처음으로 보인 논문’이라고 설명했다. 그렇다면 MRI와 fMRI의 차이는 무엇일까? 김성기 교수가 정의하는 MRI와 fMRI의 차이점에 대해 들어봤다. “원리는 같지만 촬영법이 다르다. 뇌를 이해하려면 구조와 기능, 연결을 알아야 한다. 이 중에서 ‘구조’는 MRI로 주로 찍는다. fMRI는 ‘기능’을 주로 연구한다. fMRI는 이름 앞에 ‘f’가 들어가 있는데 ‘f’는 ‘기능(functional)’이라는 영어 단어의 첫 글자다. 다시 말하면 MRI는 인체의 해부학적인 단면을 찍는다. 병원 의사들이 환자의 몸에 종양과 같은 질병이 있는지를 확인하기 위해 사용하는 게 MRI다. 반면 fMRI는 뇌 연구자의 도구다. 뇌세포가 활성화되면 늘어난 에너지 소모를 충당하기 위해 피의 흐름이 증가한다. 그러면 핏속의 산소량이 증가하게 되고, 그 산소량의 증감을 이용해 fMRI는 영상을 얻는다. MRI는 카메라와 같이 정지 영상을 얻으며, fMRI는 동영상 촬영이라고 생각하면 된다. fMRI는 머리를 스캔하면서 빨리 반복해서 여러 번 찍어서 변화를 계산한다.” | 피츠버그대학 ‘폴 라터버 석좌교수’ 김성기 교수는 미네소타대학에서 11년을 일하고 2002년 피츠버그대학으로 소속을 옮겼다. 카밀 우거빌 교수의 그림자에서 벗어나 자신의 연구 중심지를 마련한 셈이다. 피츠버그대학에서 그의 보직명은 폴 라터버(Paul Lauterbur) 석좌교수. 폴 라터버는 MRI를 발명한 공로로 2003년 노벨생리의학상을 받은 미국 화학자다. 라터버 교수는 피츠버그대학에서 박사학위를 받은 바 있는데 피츠버그대학은 그걸 기념하기 위해 그의 이름을 딴 석좌교수 자리를 만들었다. 김성기 교수가 그 자리를 맡은 것이다. 피츠버그대학은 그에게 멋진 뇌이미징센터 건물을 지어주었다. 김 단장은 “내가 건물 두 개를 지었다. 피츠버그에서 실험실과 사무실을 어떻게 배치하면 좋을지를 직접 구상하고 설계했다. 그리고 그 도면을 한국에 갖고 와서 두 번째 건물을 지었는데 그게 성균관대 N센터 건물이다”라고 말했다. | 성균관대학교 뇌과학이미징연구단 피츠버그에서의 생활은 만족스러웠다. 멋진 건물과 함께 일하는 조교수 네 명이 있는 실험실, 풍족한 연구비 등 부족할 게 없었다. 그런데 2011년 성균관대 서민아 교수가 그를 찾아왔다. 서 교수는 “한국에 기초과학연구원(IBS)이 생기고 곧 연구단장 모집공고가 나온다. 성균관대가 IBS연구단을 유치하려고 한다. 그 연구단의 단장으로 지원해 달라. 연구단장에 선임되면 연구단 설립에 필요한 시설을 전적으로 지원하겠다”라고 말했다. 미국 피츠버그에서 달리 부러울 게 없는 연구생활이었으나, 한국의 뇌과학 발전에 기여하기 위해 김성기 교수는 귀국하기로 했다. 그는 2013년 IBS의 3차 연구단장 모집 때 연구단장으로 선정됐다. 성균관대는 김성기 교수가 이끌 IBS연구단을 위해 투자를 아끼지 않았다. N센터라는 새로운 8층짜리 건물을 지었다. 그리고 약 100억가량의 7T MRI를 김 단장 연구를 위해 사줬다. 김성기 교수는 “학교에 시설투자를 많이 요구했는데 학교에서 다 들어주겠다고 해서 놀랐다. 고가의 MRI를 사들인 건 상징적인 의미가 있다.”고 말했다. 성균관대의 IBS연구단에서 그는 동물과 사람을 같이 볼 수 있는 fMRI 플랫폼을 만들었다. 그는 fMRI를 갖고 미네소타대학에서는 사람을, 피츠버그대학에서는 동물인 고양이 실험을 주로 했으나, 한국에서는 생쥐 실험을 시작했다. 김성기 교수는 “사람과 동물을 같이 보는 플랫폼은 생각과 달리 같은 곳에 만들기 쉽지 않다. 국제적 경쟁력이 있는 시설을 갖추기가 어렵다. 우리 연구단처럼 한 건물에 동물과 사람을 같이 연구할 수 있는 곳이 흔치 않다.”고 이야기했다. N센터 지하에는 동물 실험 관련 특별한 공간이 있다. 동물과 사람을 같이 볼 수 있는 시설, 즉 종간(cross-species) 실험 시설인데 김성기 교수는 실험 시설의 중요성을 강조했다. 김성기 교수는 “동물 연구는 사람을 이해하는 게 큰 목적이다. 사람에서 이해가 안 되는 건 동물 실험으로 확인한다. 그걸 위해 MRI를 기본 플랫폼으로 삼고 있다”고 말했다. IBS 뇌과학이미징연구단은 MRI라는 플랫폼을 개발하고, 다양한 분야의 교수들은 그 플랫폼을 이용해 자신의 주제를 연구한다. 그의 연구단에는 그 자신이 직접 이끄는 fMRI그룹 말고도, 신경혈류그룹 신경회로그룹, 인지신경맵핑그룹, 계산신경과학그룹 등이 있다.

BME&IPHC 2024년 여름학위 수여식
2024-09-02
글로벌바이오메디컬공학과, 지능형정밀헬스케어융합전공은 성균관대학교 2024년 여름 학위 수여식과 동일한 날인 8월 23일에 N센터에서 여름학위 수여식을 거행하였습니다. 학부, 대학원 졸업생 및 교수님, 학부모를 비롯한 지인이 참석하여 졸업을 축하하는 시간을 가졌습니다. 글로벌바이오메디컬공학과 학과장이신 이준열 교수님께서 졸업식 사회를 맡아주셨습니다. 학부생, 대학원생 순으로 졸업장을 수여하였으며 지능형정밀헬스케어융합전공 학과장이신 박재석 교수님께서 학부생 졸업장을 수여해주셨습니다. 석사, 박사 졸업생의 학위기 수여는 지도교수님께서 맡아주셨고, 학생의 소감과 지도교수님의 격려를 나누며 한층 따뜻한 시간을 보낼 수 있었습니다. 교수님과 악수하며 인사를 나누는 시간도 가졌습니다. 졸업생 여러분의 앞날을 응원합니다.

홍석준 교수 2024 SKKU Teaching Award 수상자 선정
2024-08-26
2024 SKKU Teaching Award 수상자 선정 - 8월 21일(수), 600주년기념관 조병두국제홀서 시상식 진행 교무처는 2024 SKKU Teaching Award 수상자로 20명의 교원을 선정하였다고 밝혔다. 시상식은 지난 8월 21일(수) 인문사회과학캠퍼스 600주년기념관 조병두국제홀에서 진행되었다. (사진 첫째줄 왼쪽부터) ▲박상태(학부대학) ▲김도일(유학.동양학과) ▲김나연(영어영문학과) ▲송하나(아동·청소년학과) ▲김재직(통계학과) ▲김영상(경영학과) ▲김계원(미술학과) ▲권재영(생명과학과) ▲전재욱(반도체시스템공학과) ▲엄영익(소프트웨어학과) ▲조슈아잭맨(화학공학/고분자공학부) ▲이재철(약학과) ▲송민경(융합생명공학과) ▲엄길호(스포츠과학과) ▲홍석준(글로벌바이오메디컬공학과) ▲이세영(미디어커뮤니케이션학과) ▲이주강(학부대학) ▲김준태(유학.동양학과) ▲이숙현(독어독문학과) ▲신영석(경영학과) 등 총 20명의 교원이 SKKU Teaching Award 수상의 영예를 안았다. 한편, SKKU Teaching Award 제도는 우리 대학 교육의 질적 향상을 선도한 교·강사를 선정하여 포상하는 영예로운 상으로, 2011년 최초 시행 이후 지난해까지 총 114명을 선정하였으며 교육 역량이 뛰어난 교·강사에게 자긍심과 명예를 부여하고 양질의 교육 제공을 위한 동기부여를 진작·확산시키는데 목적을 두고 있다.

2024년 청소년 과학대장정(첨단 바이오) GBME학과 참여
2024-08-13
과학기술정보통신부와 한국과학창의재단이 주최한 2024년 청소년 과학대장정에 글로벌바이오메디컬공학과가 참여하였습니다. 중학생 34명과 함께 한 이야기를 성균웹진에서 소개하여 링크 첨부합니다. 성균웹진 | 커버스토리 | 커버스토리 (skku.edu) 유튜브 링크(https://youtube.com/shorts/kParm7nkyuc?si=nWMcWfNSFdpmJ7Hf)

2024 성균융합원 새내기새로배움터
2024-05-20
지난 2월 27일(화) 입학식을 마치고 2박 3일간 용인 양지파인리조트에서 "2024 새내기 새로 배움터"를 진행하였습니다. 이번 새내기 새로 배움터는 예년과 다르게 성균융합원에 신설된 에너지학과와 함께 하였으며 두 학과의 신입생, 재학생 총 124명이 참여하였습니다. 레크리에이션을 비롯한 다양한 프로그램을 통해 친목을 다지고, 학교와 학과에 대해 알아가는 즐거운 시간을 가졌습니다.

BME&IPHC 2024년 겨울학위 수여식
2024-02-29
글로벌바이오메디컬공학과, 지능형정밀헬스케어융합전공은 성균관대학교 2024년 겨울 학위 수여식과 동일한 날인 2월 23일에 N센터에서 겨울학위 수여식을 거행하였습니다. 학부, 대학원 졸업생 및 교수님, 학부모를 비롯한 지인이 참석하여 졸업을 축하하는 시간을 가졌습니다. 글로벌바이오메디컬공학과 학과장이신 이준열 교수님께서 졸업식 사회를 맡아주셨고, 지능형정밀헬스케어융합전공 학과장이신 박장연 교수님께서 가슴 따뜻한 축사를 남겨주셨습니다. 학부생, 대학원생 순으로 졸업장을 수여하였으며, 교수님과 악수하며 인사를 나누는 시간도 가졌습니다. 석사, 박사 졸업생의 소감도 듣고, 지도교수님께서도 격려해주시는 시간도 가졌습니다. 졸업생 여러분의 앞날을 응원합니다.

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Research News

홍석준 교수, 시상-대뇌피질 연결성이 두뇌 발달에 미치는 영향 최초 규명
2024-08-02
홍석준 글로벌바이오메디컬공학과 교수 연구팀(기초과학연구원 뇌과학 이미징 연구단)은 아이들의 뇌 영상을 성장 시기별로 분석하여, 두뇌의 외적 정보처리와 내적 정보처리를 담당하는 대규모 기능적 뇌네트워크(functional brain network)들이 형성되는 과정을 최초로 밝혀냈다. 외적 정보처리와 내적 정보처리는 우리 인지기능 중 가장 근본적인 원리이다. 외부 세계로부터 쏟아져 들어오는 시각적 정보(텍스트)를 처리하는 ‘외부수용’ 기능과, 이 정보를 기반으로 외부 세계에 대한 인과관계를 더 깊이 이해(의도파악 등)하는 ‘내부모델링’ 기능이 바로 그것이다. 이는 인간을 포함한 고등영장류가 변화하는 환경 속에서도 적절히 대응하고 생존하도록 도와주는 핵심적인 인지 역량이다. 두 정보처리를 담당하는 대규모 기능적 전뇌 네트워크들은 대뇌피질에 포함되는데, 이들이 어떻게 뇌 발달 과정에서 발생하는가는 항상 초미의 관심사이어왔다. 특히, 뇌의 발달 과정에서 시상(thalamus)과 대뇌피질(cerebral cortex)간 연결성은 뇌 기능 분화에 핵심적인 역할을 한다. 시상은 주로 외부 감각 정보를 처리하는 중계 역할을 하는데, 최근 연구에서는 내부모델링과 같은 상위인지기능에도 영향을 미친다고 밝혀졌다. 이에 연구진은 뇌의 발달 과정에서 시상이 대뇌피질의 기능적 세분화에 미치는 영향, 즉 외부 네트워크와 내부 네트워크에 어떤 영향을 미치는지 조사했다. 우선, 유아기부터 성인기에 걸친 다양한 연령대의 뇌 영상 데이터에 최신 뇌 영상 분석기법을 적용해 시상-대뇌피질 연결성이 나이에 따라 어떻게 변화하는지 추적 관찰했다. 또한, 유전체 분석으로 시상-대뇌피질 연결성이 뇌 발달에 관여하는 유전자의 발현과 관련 있는지 살폈다. 그 결과, 시상-대뇌피질 연결성은 뇌 발달 초기 단계에서의 역할과 그 이후 청소년 단계로 넘어가면서 하는 역할이 매우 다르다는 점을 알아냈다. 유아기에는 시상과 감각 정보를 전달하는 대뇌피질 영역(감각 운동 네트워크) 간 연결성이 뚜렷하고 뇌 발달과 관련된 유전자가 발현됐다. 하지만 성인기로 넘어가면서 행동 네트워크(action network)와의 연결성이 주축이 돼 외부수용성과 내부모델링 시스템이 분리됐다. 이는 구분된 각 시스템이 서로 명확히 다른 역할을 수행하게 되어 기능적 세분화가 일어났다는 의미이다. 연구진은 발달 시뮬레이션으로 시상-대뇌피질 연결성과 기능적 전뇌 네트워크 형성 간 인과관계에 대한 가설을 검증했다. 시뮬레이션하는 동안 시상-대뇌피질 연결 규칙(wiring rule)을 임의로 교란(조절)하니 내·외부 네트워크 간 분리가 이루어지지 않았으며, 이는 횡·종단적 데이터 분석에서도 확인 가능함을 함축적으로 의미한다. 그중에서도 특히 12~18세 사이의 두뇌 발달이 외내적 네트워크 발달에 가장 필수적임을 알아내었다. 홍석준 교수는 “태아의 뇌가 형성될 때 시상이 중요한 역할을 한다고 알려져 있었지만, 태어난 이후 청소년 시기에 어떻게 기능적 전뇌 네트워크가 발생하는지는 아직까지 정확히 밝혀진바가 없었다”며, “이를 통해 내·외적 시스템 발달 부진으로 나타나는 자폐, 조현병 등 다양한 뇌 질환의 기전을 이해하는 데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience; IF: 21.2, JCR CATEGORY in NEUROSCIENCE 상위 1.1%)’ 온라인판에 6월 10일 게재됐다.논문명: A shifting role of thalamocortical connectivity in the emergence of cortical functional organization. (Nature Neuroscience. 2024) 저자: 박신원 (제1저자, 박사후과정 [현 미국 Child Mind Institute]), 조한별 (IBS박사후과정), 홍석준 (교신저자, 성균관대학교 GBME 부교수).

IBS 김성기 단장, ISMRM 골드메달 수상
2024-05-08
김성기 뇌과학이미징연구단장, 국제자기공명의과학회(ISMRM) 골드메달 수상 - 자기공명 분야 아시아 최초 수상자 … 5월 6일 메달 수여 IBS 뇌과학이미징연구단 김성기 단장(바이오메디컬공학과 석좌교수)이 MRI 분야 세계 최고 학술대회인 국제자기공명의과학회(International Society for Magnetic Resonance in Medicine, 이하 ISMRM)에서 최고 영예인 골드메달을 수상했다. 자기공명(MR) 분야 과학자로는 아시아 최초다. ISMRM 골드메달은 자기공명 분야에 관한 주요 연구 공헌을 인정하는 상으로 매년 가장 우수한 2~4명의 연구자에게 수여한다. 김성기 교수는 1992년 기능적 자기공명영상(fMRI)* 방법을 인간에 적용한 최초 과학자 중 한 명이다. 미국 피츠버그대 폴 로터버(Paul Lauterbur) 석좌교수직**을 지냈으나 대한민국 뇌과학 발전을 위해 귀국하여 지난 2013년 IBS에 합류했다. 이번 연례 회의에서 그는 인간과 동물 연구를 통해 fMRI 신호의 기본적인 생리학적 기초를 이해하는 데 기여한 공로를 인정받았다. * 뇌 활성화에 의한 산소포화도 변화를 측정하는 방법 ** MRI를 발명한 공로로 2003년 노벨생리의학상을 받은 폴 로터버를 기리기 위한 피츠버그대 교수직 뇌 연구자는 뇌를 이해하고자 fMRI를 활용해 그 기능을 연구한다. 뇌세포가 활성화되면 늘어난 에너지 소모를 충당하고자 피의 흐름이 증가하면서 핏속 산소량이 증가하는데, 이 산소량의 증감을 이용해 fMRI 영상을 얻을 수 있다. 김 단장은 뇌세포에서 일어나는 현상과 MRI에 찍히는 신호의 상관관계를 밝혀내는 연구를 진행 중이다. 대표 업적으로는 뇌 혈류·혈액량을 측정하는 새로운 MRI 방법 개발, 뇌세포 활성도와 혈류·혈액량 변화, fMRI 신호 간 연관성 규명, 활성화된 뇌 영역 간 정보 처리 인과 관계 파악 등이 있다. 골드메달은 ▲성균관대 김성기 교수 ▲미국 뉴욕대 레온 악셀(Leon Axel, 의과학자) 교수 ▲미국 코넬대 왕 이(WANG Yi, 물리학자) 교수 총 3명에게 수여됐다. 의과학자로서는 2020년 수상한 토가시 카오리(TOGASHI Kaori) 일본 교토대학 교수가, MR 분야 과학자로서는 김성기 단장이 아시아 최초 수상자다. 역대 ISMRM 골드메달 수상자 중 MR 분야 과학자로서는 1991년 노벨 화학상 수상자인 리하르트 에른스트(Richard Ernst), 2003년 노벨 생리학·의학상 수상자인 폴 로터버와 피터 맨스필드(Peter Mansfield)가 있다. 김성기 단장은 “IBS 뇌과학 이미징 연구단은 세계 최고 수준의 사람용(7 테슬라*) 및 동물용(15.2 테슬라) 초고자장 MRI 시설을 보유하고 있다”며, “최고의 MRI 연구 시설인 IBS-성균관대 N 센터를 한국에 설립하고 이 상을 받아 뜻깊다”고 말했다. 또한, “MRI 분야에서 새로운 영상 기술 개발이나 임상연구가 아닌 기초 연구로 이러한 결실을 거둬 더욱 영광스럽다”고 전했다. * 테슬라(T): 자장 강도로, 1테슬라는 지구 자장의 약 2만 배다. 한편, ISMRM은 58개국 8,000명의 전문 회원들을 보유하고 있으며, 연례 회의는 가장 큰 행사로 연구자, 임상의, 정부 기관, 학계, 산업계 주요 인사들이 참석한다. 이번 시상식은 지난 5월 6일 싱가포르에서 개최됐다. 2024 Gold Medal Award Winners - ISMRM

신미경 교수, 조직 재생 필러로 빠른 로봇 재활 가능성 열었다
2023-11-09
[그림1] 기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단이 제시한 주사 주입형 조직 보철용 전도성 하이드로젤 소재를 통한 보행 재활 훈련 근육이나 신경 손상 초기에 빠른 재생을 돕는 새로운 조직 보형물 소재가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단(단장 김성기) 신미경 교수(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 부교수)와 손동희 교수(성균관대 전자전기컴퓨터공학과 부교수) 연구팀은 손상된 조직의 기능을 대체하는 주사 주입형 바이오 신소재를 개발했다. 더 나아가 이 소재를 기반으로 근육과 신경이 심하게 손상되어 걷지 못하던 동물모델에 적용해 빠른 조직 재생 및 재활 효과를 확인했다. 심각한 근육 손상 초기에 적절한 치료를 받지 못하면 만성적으로 근육이 기능적으로 결손되고, 이로 인한 장애가 유발될 수 있다. 근력 감소로 인한 환자 삶의 질 저하를 막으려면 근육의 정상적 회복을 촉진하는 동시에 움직임의 즉각적 회복을 돕는 재활 치료가 필요하다. 손상된 신경‧근육 회복에 있어 보행 보조 로봇 등 웨어러블 장치와 체내 이식형 소자가 통합된 ‘폐회로 보행 재활 기술’이 각광 받는다. 하지만 체외 장치와 체내 조직을 연결하기 위한 소자들의 크기가 커서 복잡하고 작은 손상된 조직 영역에 이식하기 어려웠다. 또한, 딱딱한 소자가 부드러운 조직에 지속적인 마찰을 일으켜 염증이 유발된다는 것도 문제였다. 즉, 기존 기술로는 단시간에 환자의 보행 재활을 기대하기는 어려웠다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구진은 생체조직처럼 부드러우면서도 조직에 잘 접착되고, 전기 저항이 작아 근육과 신경의 전기 신호를 잘 전달할 수 있는 새로운 소재 개발에 착수했다. 우선 연구진은 피부 미용용 필러로 쓰이는 히알루로산 소재를 기반으로 조직처럼 부드러운 하이드로젤 소재를 만들었다. 여기에 금 나노입자를 투입해 전기 저항을 낮췄다. 또한, 기계적 안정성을 높이기 위해 분자들이 자유롭게 재배열하게 제조하여 필러처럼 주사로 국소적 손상 부위에 주입할 수 있도록 했다. 연구진은 손상된 근육과 신경에 제작한 보형물을 주사로 주입했을 때, 좁고 거친 손상 조직 표면에 보형물이 밀착 접촉됨을 확인했다. 나아가 보형물은 조직 손상 부위를 채워 건강한 조직에서 발생하는 전기생리학적 신호를 성공적으로 전달했다. 보형물 자체를 전극으로 사용하여 조직에 전기 자극을 가하거나, 조직으로부터 발생하는 신호를 계측할 수 있음을 확인한 것이다. 이어 연구진은 동물실험을 통해 빠른 근육 재생 및 재활 효과도 확인했다. 경골전방근육이 심하게 손상된 설치류 모델의 조직 손상 부위에 제작한 보형물을 주사하고, 말초신경에 전기 자극을 가할 수 있도록 인터페이싱 소자를 이식했다. 우선, 전도성 하이드로젤을 조직 손상 부위에 채우는 것만으로도 조직 재생이 개선됐다. 신경 전기 자극을 주었을 때 발생하는 근전도 신호를 계측하여 보행 보조 로봇을 작동, 소동물의 보행을 성공적으로 보조할 수 있었다. 더 나아가, 신경 자극을 따로 주지 않아도 전도성 하이드로젤의 조직 간 신호 전달 효과를 이용하면 로봇 보조를 통한 소동물의 보행 재활 훈련이 가능하다는 점도 확인했다. 조직이 손상되어 잘 걷지 못하던 실험 쥐는 단 3일 만에 로봇 보조를 통한 정상적 보행이 가능하게 되었다. 신미경 교수는 “신경근 회복을 위해 재활 훈련이 요구되는 심각한 근육 손상에 손쉽게 적용할 수 있는 주사 가능한 전기 전도성 연조직 보형물을 구현했다”며 “근육과 말초신경 뿐만 아니라 뇌, 심장 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 조직 재생용 신물질로 활용 가능할 것”이라고 말했다. 손동희 교수는 “우리 연구진이 제시한 새로운 바이오 전자소자 플랫폼은 재활 치료가 어려운 신경근계 환자들의 재활 여건을 크게 개선할 수 있을 것”이라며 “전기생리학적 신호 계측 및 자극 성능을 활용하면 향후 인체 내 다양한 장기의 정밀 진단 및 치료까지 확대될 수 있다”고 말했다. 연구진은 다양한 손상 조직에 전도성 하이드로젤을 주사하여 회복 가능성을 확인하는 한편, 임상 수준에서 최소침습적인 재활 시술로 이어지기 위한 후속 연구를 진행 중이다. 연구 결과는 11월 2일 01시(한국시간) 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처(Nature, IF 64.8)’ 온라인판에 실렸다.

김성기 교수 연구팀, 영화 상영하듯 뇌에 빔 프로젝터 쏴 뇌 연결지도 만든다
2023-07-28
영화 상영하듯 뇌에 빔 프로젝터 쏴 뇌 연결지도 만든다 - 패턴화 광유전학 자극과 기능적 자기공명영상(fMRI)으로 뇌 연결성 고속 스캔 - 뇌 질환, 약물중독 치료 기술 개발 등 뇌 기능 연구에 활용 기대 뇌 기능은 뇌의 각 영역 간의 상호 작용에 의해 결정된다. 따라서 뇌의 각 영역의 '연결성'을 이해하는 것은 뇌 기능 연구의 출발점이다. 뇌과학이미징연구단 김성기 교수(글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀은 빔 프로젝터로 패턴화한 광유전학 자극으로 살아있는 마우스의 대뇌 피질 활동을 자유롭게 조절하고, 기능적 자기공명영상(Functional magnetic resonance imaging, fMRI)으로 뇌의 전체 영역을 스캔하여 뇌 연결 지도를 만드는 기술을 개발했다. 이 연구에는 서울대 생명과학부 최명환 교수 연구팀이 공동으로 참여했다. 광유전학(Optogenetics)은 글자 그대로 '빛(Opto)'과 '유전학(Genetics)'을 결합한 것으로, 유전학적 기법을 이용해 특정 세포에 빛을 감지할 수 있는 단백질을 발현시키고 빛을 이용해 세포를 제어하는 기술이다. 이 기술은 특정 영역의 뇌 세포 활동을 조절하여 단일 뇌 영역과 전체 뇌 회로 및 행동 간의 인과적 관계를 연구하는 데 널리 사용된다. fMRI는 뇌 전체의 활성을 스캔하여 광유전학적으로 유발된 특정 뇌 영역의 활동에 의한 뇌 전체의 변화를 확인할 수 있다. 지금까지 광유전학 fMRI는 침습적 수술로 뇌의 목표 영역에 광섬유를 삽입하고, 이를 통해 빛을 전달하여 자극하는 방식으로 이루어졌다. 하지만 이러한 방식은 뇌에 예기치 않은 손상을 입힐 수 있으며, 하나의 실험 개체에 많은 광섬유를 삽입할 수 없는 한계가 있었다. 때문에 수많은 뇌 영역에 대해 연구하기 위해서는 필연적으로 많은 수의 실험동물이 필요했다. 또한, 뇌 영역 간 연결성 차이를 연구하기 위해 실험 개체 간 차이를 통제해야하는 어려움이 있었다. ▲ 전체 광유전학 fMRI 시스템 연구진은 기존의 광섬유를 삽입하는 방법 대신 마우스의 대뇌 피질에 직접 빛을 쏘는 방법을 고안했다. 이때, 마우스의 두개골 때문에 빛이 침투할 수 없는 문제를 해결하기 위해 두개골을 치과수술용 드릴을 이용해 얇게 갈아내고, 약품을 처리해 뇌가 들여다보이도록 두개골 윈도(Thinned-skull Cranial window)*를 만들었다. 그리고 고출력 광유전학 자극 레이저를 장착한 빔 프로젝터를 이용해 대뇌 피질 전반에 직접 빛을 쏴 효과적으로 광유전학 자극이 가능하도록 했다. * 두개골 윈도(Thinned-skull Cranial Window): 두개골을 수술용 드릴을 이용해 얇게 갈아내고 화학 약품을 처리하여 뇌가 비쳐보이도록 하는 기법. 두개골을 완전히 제거하지 않아 부작용을 최소화하여 뇌가 비교적 자연스러운 상태에서 실험할 수 있다는 장점이 있다. 빔 프로젝터를 통한 광 자극은 기존의 단순한 점의 형태가 아니라, 뇌 표면에 영화를 상영하듯 빛을 쏘는 방식이다. 즉, 뇌의 원하는 영역에 원하는 패턴을 자유자재로 생성할 수 있다. 한 번의 실험으로 하나의 고정된 영역이 아닌 여러 영역에 자유롭게 광 자극을 전달하는 것이 가능해진 것이다. ▲ 기능적 자기공명영상(fMRI) 연구진은 이 기술을 이용해 하나의 마우스 실험개체에서 대뇌 피질 전반에 다양한 뇌 영역들을 순차적으로 자극했다. 그리고 fMRI로 전체 뇌를 스캔하여 얻은 뇌 활성반응에 대한 대량의 데이터를 통해 뇌 영역 간 상호작용의 인과적 관계를 나타내는 유효 연결성(Effective connectivity)* 지도를 완성할 수 있었다. * 유효 연결성(Effective connectivity): 한 영역이 다른 영역들에 미치는 영향을 수치화한 것으로, 단순히 영역 간의 상호작용을 나타내는 기능적 연결성(Functional connectivity)을 보여주는 것에서 나아가 영역 별 활동 간의 인과적 관계를 설명한다. ▲ 통계적인 분석 나아가, 동물 연구에 널리 쓰이는 두 종의 마취제인 이소플루레인(Isoflurane)과 케타민-자일라진(Ketamine-Xylazine)으로 마우스를 각각 마취시킨 뒤, 서로 다른 마취 조건 하에서 마우스 뇌의 유효 연결성을 비교분석했다. 그 결과, 이소플루레인이 특정 대뇌 피질의 영역과 중뇌 영역 간의 연결성을 선택적으로 약화시키는 것을 발견했다. 이것은 패턴화된 광유전학 자극을 사용한 fMRI가 특정 뇌 상태에 의해 유도된 유효 연결성 변화를 효과적으로 측정할 수 있음을 보여준다. 이번 연구는 특정 뇌 상태와 연관된 뇌 회로를 추출하는 새로운 방법을 제시했으며, 이는 뇌 질환 및 약물 등으로 인한 뇌 기능 저하의 메커니즘을 밝히는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 김성기 단장은 "뇌 전체의 유효 연결성과 구조적 연결성을 직접 비교해 뇌의 구조와 기능에 대한 심층적인 연구가 가능해졌다"며 "향후 뇌 질환 및 약물 중독의 신경생리학적 메커니즘을 규명하고 치료 기술을 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔다. 이번 연구성과는 뇌과학 분야 권위지 뉴런(Neuron)에 3월 31일(한국시간) 온라인 게재됐다. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627323001708) ▲ 광유전학 fMRI 시스템

글로벌바이오메디컬공학과 이준열 교수 연구팀, 사전 예측이 감각운동 향상시키는 신경 기전 밝히다
2023-07-28
글로벌바이오메디컬공학과 이준열 교수 연구팀, 사전 예측이 감각운동 향상시키는 신경 기전 밝히다 - 뇌에서 사전 지식과 예측에 의해 시각정보를 해석하고 안구운동 조절하는 원리 규명 - 감각운동 및 인지기능 장애 치료 연구에 활용 기대 동물은 주어진 환경에 적응하고 살아가기 위해 다양한 감각 정보를 활용하며, 특히 인간을 포함한 영장류는 주로 눈을 통해 얻은 시각정보에 의존한다. 우리 뇌는 시각정보가 정확하지 않거나 제한적인 경우에도, 시각정보와 과거의 경험 지식에 기반한 예측정보를 통합해 적절한 행동을 할 수 있게 한다. 그러나 이러한 정보의 통합과 처리가 뇌의 어느 영역에서, 어떻게 처리되는지는 아직 명확하지 않다. 글로벌바이오메디컬공학과 이준열 교수 연구팀은 영장류 행동 실험과 신경세포 활동 측정을 통해 얻은 데이터를 바탕으로, 사전 경험지식에 의한 예측이 시각정보를 처리하는 대뇌피질 감각영역을 조절해 감각운동(Sensorimotor) 능력을 높인다는 사실을 밝혔다. 감각운동이란 외부감각 자극에 반응하여 신속하고 정확하게 운동하는 능력을 말한다. 예컨대, 우리가 움직이는 물체를 눈으로 쫓을 때, 눈으로 받아들인 움직이는 물체에 대한 방향과 속도 등의 시각정보를 뇌에서 처리하여 안구의 운동을 조절하게 된다. 연구진은 붉은털원숭이가 움직이는 시각 자극물을 눈으로 쫓는 추적안구운동 과제를 하는 동안 시선추적장치와 전극을 이용해 눈의 움직임과 대뇌 외측시각피질(Middle temporal visual area) 신경세포들의 활동을 측정했다. 원숭이에게는 원형의 구역 안에 임의로 점이 찍히는 무작위 점 키네마토그램이 시각 자극물로 제시되고, 원숭이는 시각 자극물의 중심에 시선을 유지해야 한다. 그리고 눈에 잘 보이는 고휘도의 시각 자극물과 그렇지 않은 저휘도의 자극물이 제시되는 경우, 시각 자극물의 이동 방향이 유사해 예측이 가능한 경우와 그렇지 않은 경우로 나누어 실험을 수행했다. 연구진은 이렇게 얻은 데이터를 컴퓨터 시뮬레이션 및 머신러닝, 뉴럴 디코딩 등의 기술로 분석해, 시각 피질 영역에서 예측정보와 감각정보가 어떻게 처리되는지를 수리적․정량적으로 분석했다. * 뉴럴 디코딩(Neural Decoding): 신경세포(뉴런)들이 발화한 전기적 스파이크를 측정해 이들이 어떻게 신호를 주고받으며, 정보를 처리하는지 이해할 수 있다. 이번 연구에 사용한 군집 디코딩(Neural population decoding)은 단일 신경세포가 아닌 군집 신경세포로부터 자극을 복원하는 방법으로, 신호해석의 불확실성을 감소시키고 다양한 자극의 복합적 특성을 표현할 수 있는 장점을 갖는다. ▲ 행동실험 및 세포측정 영역 행동실험 결과, 원숭이가 시각 자극물이 잘 보이지 않더라도 이전 실험 경험을 통해 이동 방향을 예측할 수 있는 경우에는 추적안구운동의 편차가 적었으나, 이전 경험을 통해서도 예측할 수 없는 움직임을 보이는 경우에는 그 편차가 컸다. 이는 감각정보가 확실하지 않을 때, 사전 경험지식을 활용하여 행동의 정밀성이 올라간다는 것을 의미한다. ▲ 외측시각피질 세포들의 방향 선택성에 따른 사전 예측의 차별적 신경활성 조절 연구진이 데이터 분석을 통해 외측시각피질 세포들의 신경활성이 나타내는 자극의 운동방향을 추정하여 실제 추적안구운동 방향과 비교한 결과, 추정 방향과 실제 추적안구운동 방향의 편차가 유사한 것을 확인했다. 또한 행동실험 결과와 마찬가지로, 시각 자극물이 잘 보이지 않는 경우에만 사전 예측에 의해 외측 시각 피질 세포들의 방향 선택성이 안구운동의 추적 방향을 더 잘 처리하도록 조절되는 것이 관찰됐다. 이를 통해 연구진은 외측시각피질 세포들의 활성 패턴이 시각 자극물의 방향에 대한 예측도 표상할 수 있으며, 이것이 안구 운동의 정밀성과 연관되어 있음을 밝혔다. 기존에는, 예측은 전두엽에서 수행되고 감각정보는 시각피질에서 처리되는 것으로 알려져 있었다. ▲ 사전 예측의 신경활성 조절이 추적안구운동에 미치는 영향 이준열 교수는 “이번 연구로 대뇌 외측시각피질이 환경으로부터 얻은 감각 정보를 단순히 신경 신호로 전달하는 영역이 아니라, 사전 지식 및 예측에 의해서 동일 감각정보를 다르게 해석하여 행동을 조절할 수 있는 뇌영역이라는 것을 밝혔다”고 전했다. 또한, “대뇌피질의 감각 영역이 사전 정보를 이용해 어떻게 감각운동 행동 변화에 기여할 수 있는지를 밝힘으로써, 감각운동 정보처리의 신경 기전에 대한 이해를 높였다”라며, “감각운동 및 인지기능 장애 치료 연구에도 도움이 될 수 있을 것”이라고 전했다. 이번 연구 결과는 사이언스 자매 학술지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 7월 7일 온라인 게재됐다. (https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adg4156)

우충완 교수, fMRI 데이터 기반 반추 예측 모델 개발
2023-07-20
"반추"는 우리의 마음이 특정한 생각이나 감정에 빠져서 끊임없이 그것을 되새기는 상태를 묘사한다. 이는 마치 소가 먹은 음식을 여러 번 씹는 것처럼, 우리도 때로 특정한 생각이나 감정을 계속해서 되새기는’데, 이러한 현상을 비유적으로 표현한 것이다. 특히 우리는 때로 부정적인 상황이나 문제, 걱정거리에 대해 계속해서 생각하곤 한다. 이런 생각이 과도하게 반복되거나 부정적인 감정에 집중하게 되면 우울증이나 불안장애 등의 정신 건강 문제로 발전할 수 있다. 그래서 학계에서는 반추 사고 경향을 우울증의 대표적인 취약 요인으로 연구해 왔다. 사람마다 이 반추 사고 경향은 다르게 나타난다. 이 반추 경향은 개인마다 고유한 뇌의 연결성 패턴과 관련되어 있을 것이라는 가설이 제기되어 왔지만, 이는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과, 기초과학연구원 뇌과학이미징 우충완 교수 연구팀은 미국 다트머스 대학 토어 웨이거 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 이를 연구하였다. 즉, 건강한 사람들이 쉬는 동안 얻은 기능자기공명영상(fMRI) 데이터에 기계 학습을 적용하여 개개인의 반추 경향을 예측하는 모델을 개발했다. 나아가 이 뇌기반 예측 모델은 실제 우울증 환자들의 우울 정도를 예측하는 데에도 유효한 결과를 보였다. 특히, 이번 연구를 통해 디폴트모드 네트워크 내의 배내측전전두피질(Dorsomedial prefrontal cortex)이 반추의 수준을 예측하는 데 특히 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀내었다. 이번 연구를 이끈 우충완 교수는 "생각의 흐름의 패턴은 우리의 감정에 중요한 영향을 미치는데, 본 연구는 부정적인 생각의 경향성을 뇌 연결성으로부터 읽어낼 수 있다는 것을 보였다”며 본 연구에 대해 "이런 연구 결과들이 쌓여서 미래에는 정신건강을 모니터링하고 관리하기 위해 뇌영상을 이용할 수 있기를 기대”한다고 하였다. 이번 연구의 제 1저자인 성균관대학교 지능형정밀헬스케어융합전공 박사과정생 김정우는 "본 연구는 반추 과정의 개인 차에 어느 뇌 영역 간의 어떤 연결성이 기저하는지를 보여준 연구로 임상적으로도 과학적으로도 의미가 있는 연구” 라고 하였다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단에서 지원하는 신진연구(2019R1C1C1004512), BrainKorea21 Four 등의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션스 (Nature Communications, IF 17.694)에 2023년 6월 15일 게재됐다. (https://www.nature.com/articles/s41467-023-39142-9)

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