성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과

본문 바로가기
주메뉴 바로가기
서브메뉴 바로가기

Inspiring Future, Grand Challenge

Read More

Read More

Read More

Read More

Read More

Read More

Notice

Department News

통증의 비밀 : 통증 예측과 외부 자극이 통합돼 나타나
2024-12-05
통증의 비밀 : 통증 예측과 외부 자극이 통합돼 나타나 - 기능적 자기공명영상(fMRI) 기반으로 뇌의 통증 정보 통합 메커니즘 규명 - 통증을 느낄 때 뇌의 어느 영역이 활성화되는지를 넘어, 통증 요인들이 어떻게 통합돼 우리가 통증을 경험하는지가 밝혀졌다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단 우충완 부단장(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 부교수)과 유승범 참여교수(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 조교수) 공동연구팀은 기능적 자기공명영상(functional MRI, fMRI)측정한 뇌 활동 데이터를 기반으로 뇌가 통증 정도에 대한 기대치와 실제 자극의 세기를 어떻게 통합하는지 규명했다. 통증은 외부 자극에 대한 단순한 신체적 반응이 아니라, 생물학적·심리학적 요인들이 복합적으로 작용하는 경험이다. 예시로 통증의 강도는 외부에서 주어지는 자극의 세기뿐만 아니라 자극이 얼마나 아플 것인가에 대한 기대치에도 영향을 받는다. 기존 연구는 통증 요인들이 각각 뇌의 어느 영역을 활성화하는지를 밝혔지만, 이 요인들이 어떻게 하나의 통증 경험으로 통합되는지는 알려진 바가 없었다. 우선 연구팀은 통증 요인들이 통합되는지를 확인하고자 피험자들에게 앞으로 주어질 열 자극(통증 자극)이 얼마나 아플지 예측하게 했다. 이후 피험자의 팔뚝에 열 자극 기기를 부착해 다른 강도의 자극을 전달하며 fMRI로 뇌 신호를 측정했다. 결과적으로 같은 자극의 세기에도 통증이 클 거라고 예상한 피험자가 그렇지 않은 피험자보다 더 아프다고 보고해, 통증에 대한 기대치와 자극의 세기가 통합돼 통증을 느낀다는 것을 확인했다. 다음으로 통증 정보가 뇌에서는 어떻게 통합되는지 밝히기 위한 가설을 세웠다. 통증 정보가 통합되려면 일단 예측과 자극 정보가 보존돼야 한다는 전제하에, 보존과 통합이라는 과정에 중점을 뒀다. 또한, 뇌를 피질계층1)별로 나눠 접근했다. 연구팀의 가설은 감각 영역과 같은 낮은 층위의 영역에서는 두 정보 중 하나만 보존돼 통합이 이루어지지 않지만, 연합 영역과 같은 높은 층위의 영역에서는 모두 온전히 보존 및 통합된다는 것이었다. 이처럼 뇌의 피질계층별로 나누어 fMRI 데이터를 분석한 결과, 가설과 달리 모든 피질계층의 뇌 영역에서 예측과 자극 정보를 모두 보존하고 있었다. 다만, 통증 정보의 통합은 오직 높은 층위의 영역에서만 이루어졌다. 특히, 피질계층 영역별로 각 통증 정보를 보존하는 하위 공간이 존재했고, 높은 층위의 영역에서는 각 하위 공간에서 나오는 정보 패턴들의 합과 실제로 피험자들이 보고한 통증의 양상이 일치했다. 이로써 통증 정보가 단순히 뇌의 특정 영역에서 처리되는 것이 아니라 높은 층위의 영역에서 통합돼 통증 경험을 형성함을 규명했다. 이번 연구성과는 전기생리학 방법론과 뇌 전체 촬영이 가능한 fMRI를 결합해 뇌 전체 수준에서의 통증 정보 처리 메커니즘을 규명했다. 기존 연구는 주로 특정 뇌 영역과 통증 정보의 연관성을 밝히는 데 그쳤다면, 이번 연구는 통증 정보들이 어떻게 통합되는지에 대한 수학적 원리를 밝혔다. 우충완 부단장은 “이번 발견은 통증의 신경과학적 이해를 확장하는 중요한 기틀을 마련했을 뿐만 아니라, 만성 통증 치료의 새로운 전략을 개발하는 데 중요한 단서를 제공했다”고 말했으며, 유승범 교수는 “뇌 활성화 패턴의 기하학적 정보를 이용해 각기 다른 정보의 통합 메커니즘을 밝힌 혁신적 연구”라고 전했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 9월 12일 온라인 게재됐다. 그림 설명 [그림1] 뇌의 활성화 정도를 표상하는 공간과 그 안에서 일어나는 통증 정보의 보존과 통합 A는 뇌의 활성화 정도와 이것이 어떻게 공간상에서 표상될 수 있는지를 보여준다. A의 왼쪽은 fMRI 복셀(fMRI로 촬영된 뇌 영역의 단위) 3개의 시간에 따른 활성화 정도를 나타내고, 오른쪽은 각 복셀들의 활성화 정도가 축이 되어 3차원 공간상에서 표시된 결과이다. 왼쪽의 숫자는 오른쪽 공간상에서 같은 색의 점으로 표현했다. B의 왼쪽에서 기대 하위 공간은 통증에 대한 기대치 정보를, 자극 하위 공간은 통증에 대한 자극의 세기 정보를 보존하는 하위 공간을 나타낸다. 네트워크 복셀들의 활성화 정도를 각각의 하위 공간에 투사시키고, 그 정보들을 기반으로 각 네트워크가 두 정보를 보존 또는 통합하는지를 연구했다. 결과적으로 낮은 피질계층 영역에서는 두 정보가 모두 보존됐지만 피험자들의 통증 보고가 재구성(통합)되지 않았고, 높은 피질 계층 영역에서는 두 정보에 대한 보존과 통합이 모두 일어났다. [그림2] 하위 공간 내 패턴을 기반으로 재구성한 통증 보고와 실제 피험자 통증 보고의 비교 시각 네트워크(낮은 층위의 피질계층)와 변연계(높은 층위의 피질계층) 네트워크에서의 결과. 각 행 왼쪽부터 기대 하위 공간에서의 시간에 따른 뇌 패턴, 자극 하위 공간에서의 시간에 따른 뇌 패턴, 그리고 재구성된 통증 보고와 실제 통증 보고를 비교한 결과를 나타낸다. 기대 하위 공간과 자극 하위 공간에서는 각 기대치와 자극의 세기에 대한 정보를 보존하고 있었다. 마지막 열을 살펴보면 시각 네트워크에서는 기대치에 대한 차이가 있지만, 변연계 네트워크에서는 기대치와 자극 세기 정보 모두 성공적으로 재구성됨을 보여준다. 출처 : IBS 기초과학연구원 Research News 링크

2024 SKKU Teaching Award 수상자 글로벌바이오메디컬공학과 홍석준 교수
2024-11-15
글로벌바이오메디컬공학과 홍석준 교수는 2024 SKKU Teaching Award를 수상하며 교육과 연구에 대한 열정을 다시 한번 입증했다. 그는 학생들이 이해하기 쉽게 강의를 준비하고, 다양한 경험을 통해 지혜롭게 살아갈 수 있도록 지도하는 데 힘쓰고 있다. 홍석준 교수의 이야기를 들어 보자. | 만나서 반갑습니다. 자기소개 부탁드립니다. 안녕하세요. 저는 글로벌바이오메디컬공학과, 지능형 정밀 헬스케어 융합 전공(IPHC), 메타바이오헬스 학과 등 여러 과에 소속되어 있으며, 뇌과학을 연구하고 가르치는 홍석준입니다. | 2024 SKKU Teaching Award 수상을 진심으로 축하드립니다. 소감 한 말씀 부탁드립니다. 상을 받을 거라고 예상하지 못했습니다. 저는 제가 연구하고 있는 분야에 학생들이 쉽게 접근할 방법에 대해 많이 고민해 왔고, 그 일환으로 우충완 교수님과 함께 유튜브 채널도 운영하고 있습니다. 이러한 노력 덕분에 수상할 수 있었던 것 같아요. 제일 중요한 것은 학생들이 양질의 강의를 통해 효과적으로 학습하는 것이기에 더 잘하라는 뜻으로 받아들였습니다. | 현재 하고 계신 강의에 대해 간략히 소개해 주세요. 첫 번째로 바이오데이터마이닝이라는 생물학 관련 데이터 사이언스 과목을 가르치고 있습니다. 두 번째로 최신 기술과 지식을 학생들에게 전달하기 위한 휴먼레벨인공지능개론이라는 수업을 맡고 있습니다. 이 수업에서는 인공지능이 어떻게 뇌과학의 아이디어를 활용하여 알고리즘을 발전시키는지, 반대로 뇌과학이 인공지능의 발전에 어떤 도움을 주는지와 같이 인공지능과 뇌과학이 어떻게 서로 교류하는지 다루고 있습니다. 또 뇌의 신경망에 대해 연구하는 네트워크 뉴로사이언스(신경과학 네트워크), 임상신경과학을 가르치고 있습니다. 조현병, ADHD와 같은 정신질환과 관련한 계산적 모델을 만들고 그 모델을 통해 질환의 메커니즘을 연구하는 Computational Psychiatry(계산 정신과학)를 가르치고 있습니다. | 수업을 준비하면서 신경 쓰는 부분은 무엇인가요. 제 수업에서 모든 것을 가르치는 것은 불가능하기에 제 수업의 목표는 학생들이 공부를 시작할 때 어디서부터 접근해야 할지를 명확히 알려주는 것입니다. 이를 ‘엑세스 포인트’라고 표현합니다. 많은 학부생이 처음에는 막막해하고 두려움을 느끼곤 하는데, 시작해 보면 생각보다 어렵지 않다는 것을 깨닫게 됩니다. “이것을 공부하려면 여기서 시작해야 하고, 저것을 공부하려면 저기서 시작하면 된다.”는 식으로 방향성을 제시합니다. 두 번째로 제가 중요하게 생각하는 것은 국제어 강의와 관련된 부분입니다. 학생과 교수 모두 원어민이 아니라면 수업 내용의 전달과 이해에 어려움이 발생할 수 있습니다. 그래서 국제어 수업임에도 한국어로 한 번 더 설명합니다. 이때 몇몇 학생들은 마치 체증이 내려간 듯한 표정을 지으며 "이 말이 그 말이었구나" 하는 깨달음을 얻은 듯한 표정을 짓더라고요. 이러한 부분들이 학생들을 위한 수업 준비 과정에서 제가 특히 신경 쓰는 요소입니다. | 교수님만의 특별한 강의 철학이 있으신가요? 제 강의 철학은 “진도를 못 나가더라도 기본 개념은 반드시 이해시키자”는 것입니다. 어려운 내용은 나중에 다시 공부해도 되지만, 기본적인 개념은 지금 반드시 이해해야 한다고 생각해요. 그래서 학생들이 완전히 이해할 때까지 몇 번이고 반복해서 가르치는 편입니다. 시대가 변한 만큼 학생들을 첨단 과학에 많이 노출하려 합니다. 자연과학캠퍼스에 있는 학생들이 연구에 흥미를 갖게 하고, 현재 세상에서 일어나고 있는 여러 재미있는 일들을 알게 되면 학생들의 사고방식에도 긍정적인 변화가 생기더라고요. 현대 사회에서 첨단 과학이 어떻게 발전하고 있는지, 그리고 그것이 학생들의 미래에 어떤 영향을 미칠지 가르쳐 줌으로써 학생들이 앞으로 살아가는 데 필요한 지식을 준비하도록 도우려 합니다. | 학생들과 소통하는 데 가장 중요한 요소는 무엇이라고 생각하시나요? 편한 분위기가 가장 중요하다고 생각해요. 수업도 영어로 진행되고 내용도 어렵다 보니 학생들이 무엇을 이해하지 못했는지조차 파악하지 못할 때가 있습니다. 그래서 저는 수업 중에 "어리석은 질문은 없으며, 내가 이해하지 못하는 것은 남들도 이해하지 못했다."라고 말하며 질문을 장려하는 분위기를 조성하려고 노력합니다. 질문이 부끄럽지 않다는 것을 느끼게 해주고, 이해할 때까지 여러 번 설명해 주다 보면 학생들이 더 자연스럽게 질문하더라고요. “이 사람은 학생들의 질문에 답하려고 정말 노력하는구나”라는 신뢰를 주는 것이 중요한 것 같습니다. 예전에 바이오데이터마이닝 같은 과목에서 슬랙이라는 메신저를 사용해 학생들이 질문하면 제가 직접 답변하거나, 조교가 도움을 주는 방식으로 소통했습니다. 이런 방식들이 학생들의 마음의 장벽을 허무는 데 도움이 되는 것 같아요. | 학생들을 가르치며 기억에 남는 순간이 있으신가요? 학부 때 제 수업을 듣고, 이후 대학원생이 되어 조교로 활동하는 학생들이 꽤 많은데, 이런 학생들을 보면 큰 보람을 느낍니다. 감사하게도 그때 많은 것을 배웠다고 말해주는 학생들도 많고, 제 걱정보다 더 깊이 이해하고 높은 수준의 질문을 하는 경우도 많습니다. 시간이 빠르게 흐른다는 생각이 들기도 하고, 그런 면이 교수로서 매우 재미있다고 느낍니다. | 연구와 강의 사이에서 어떻게 균형을 맞추시나요? 저처럼 첨단 과학을 가르치는 사람에게는 약간의 이점이 있습니다. 물론 연구와 수업 준비를 동시에 하느라 시간이 부족할 때도 많지만, 저는 제가 연구하는 분야에서 벌어지는 일들을 수업에 통합함으로써 이를 극복하려 합니다. 연구하면서 배운 내용을 학생들에게 가르치고, 반대로 학생들에게 가르치기 위해 공부한 것이 연구 주제로 이어지기도 합니다. 이를 통해 연구와 교육을 분리하지 않고 하나로 통합해 서로에게 도움이 되는 방식으로 균형을 맞추려 합니다. 학생들은 아마 모르겠지만, 어떤 과목을 가르칠 때 가장 많이 배우는 사람은 교수입니다. 불확실한 지식을 전달하지 않기 위해 꼼꼼히 공부하다 보면, 저 역시 많은 새로운 것을 배웁니다. 수업 준비에 시간이 많이 들긴 하지만, 결국 그만큼 제가 배운다는 점에서 큰 이점이 있다고 생각합니다. | 앞으로 이루고 싶은 목표나 계획이 있으신가요? 연구자로서 최근에는 사회에 긍정적인 영향을 미치는 연구를 하고 싶다는 생각이 많이 듭니다. 예전에는 논문을 잘 쓰는 것에 집중했다면, 이제는 제 연구가 사회적 약자나 소외된 계층에게 조금이나마 도움이 될 수 있기를 바랍니다. 종이에 머무르는 연구가 아니라, 실질적으로 사회에 기여할 수 있는 연구 결과를 만들고 싶습니다. 교육자로서의 목표는 예나 지금이나 같습니다. 성균관대학교 학생들이 저를 포함한 교수진의 수업을 듣고, 사회에 나갔을 때 어디에서도 자신감을 잃지 않고 교양 있는 지식인으로 살아가기를 바랍니다. 이를 위해 학생들에게 필수적인 교양과 지식을 제공하는 것이 제 교육자로서의 목표입니다. | 마지막으로, 성균관대학교 학우들에게 한 마디 부탁드립니다. 제가 학생들에게 자주 하는 이야기가 있습니다. 다들 똑똑해지고 싶잖아요? 여기서 말하는 똑똑함은 단순히 시험 성적을 잘 받고 공부를 잘하는 것이 아니라, 삶을 지혜롭게 살아가는 것을 뜻합니다. 이를 위해 제가 뇌과학자로서 드릴 수 있는 조언은 바로 '다양한 경험을 쌓는 것'입니다. 이 경험은 공부나 연구뿐만 아니라, 놀이와 같은 삶의 여러 측면을 포함합니다. 인지신경과학에 ‘에피소딕 메모리(일화기억)’라는 개념이 있는데, 다양한 경험을 하면 할수록 이 에피소딕 메모리의 양이 늘어나게 됩니다. 이런 기억들이 많이 쌓이면, 나중에 그것이 일반화된 지식으로 전환될 가능성이 매우 높아져요. 그래서 다양한 경험을 하는 것이 삶을 지혜롭게 살아가는 데 정말 중요한 요소가 됩니다. 성적에만 집착해 스스로를 옭아매기보다는, 학부 생활 동안 더 폭넓은 경험을 쌓으세요. 요즘은 대학 졸업장이 곧바로 인생의 성공을 보장해 주는 시대가 아니잖아요. 우리 성균관대 학우들이 사회에 나가기 전에 많은 개인적 경험을 통해 시야를 넓히고, 다양한 도전을 해보았으면 좋겠습니다. 출처 : 성균웹진 (2024.10.24) 참고 링크 : https://webzine.skku.edu/skkuzine/section/culture01.do?articleNo=121648&pager.offset=0&pagerLimit=10

김형구 교수 공동연구팀, 인공지능으로 생명체의 본능적 행동 규명
2024-11-14
글로벌바이오메디컬공학과 김형구 교수 공동연구팀, 인공지능으로 생명체의 본능적 행동 규명 - 인공지능 기반 모델로 시상하부 신경의 ‘배고픔’과 ‘식욕’ 원리 밝혀내 ▲ (왼쪽부터) 이영희 박사(서울대학교), 윤종원 석사과정(성균관대학교), 김형구 교수(성균관대학교), 최형진 교수(서울대학교), 김규식 박사과정(서울대학교), (가운데)김유빈 박사과정(서울대학교) 글로벌바이오메디컬공학과 김형구 교수 연구팀(공동 제1저자 윤종원 석사과정)과 서울대학교 최형진 교수 연구팀(공동 제1저자 김규식 박사과정, 이영희 박사, 김유빈 박사과정)은 공동연구를 통해 인공지능을 활용하여 인간의 본능적 심리 상태를 이해할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 신경과학이 발전함에 따라 동물의 다양한 행동을 관찰하는 기술이 진전되었으나 이러한 신경 신호가 어떻게 본능적 심리 상태를 형성하는지에 대한 이해는 여전히 미흡하다. 기존 연구는 시상하부의 특정 신경이 본능적 행동과 연관된다고 밝혔으나 구체적인 역할과 메커니즘은 명확히 규명하기 어려웠다. 이번 연구는 인공지능을 이용해 뇌 시상하부 신경의 기능을 정량적으로 분석함으로써 본능적 심리 상태와 행동의 관계를 명확히 규명한 첫 사례로 평가받고 있다. 연구팀은 새로운 항상성 이론과 인공지능 기반 신경 모델을 결합하여 시상하부의 Agouti-related peptide(AgRP) 신경이 ‘배고픔’을, 렙틴 수용체(LH LepR) 신경이 ‘식욕’을 표상함을 밝혔다. 특히, 시상하부 신경의 활동 패턴을 실험적으로 관찰하고 이를 정교하게 분석함으로써 배고픔과 식욕이 특정 신경 집단의 활동 패턴으로 나타나는 과정을 실험적으로 증명했다. 김형구 교수는 도파민의 역할을 구분하기 위해 개발한 컴퓨터 모델링을 사용해 신경 활성화를 구분하는 방법론을 개발했으며, 이를 바탕으로 서울대 최형진 교수 연구팀의 새로운 항상성 이론을 수식적으로 표현하는 데 성공했다. ▲ 정통적인 항상성 이론과 최신 뇌과학 발견들을 융합한 최신 이론 김형구 교수는 “이번 연구는 인공지능과 신경과학의 융합을 통해 복잡한 신경 회로의 활동을 정량적으로 분석한 첫 사례로, 생명체의 본능적 행동을 수치적으로 이해하는 데 중요한 전환점이 될 것”이라며 “특히 시상하부 신경의 활동이 어떻게 배고픔과 식욕 같은 본능적 욕구를 조절하는지를 구체적으로 밝힌 점에서 큰 의의가 있다”고 전했다. 서울대 최형진 교수는 “섭섭식 행동 연구 중 시상하부에서 관찰된 신경 반응은 기존 이론으로 설명하기 어려웠다. AgRP 신경은 활성화 시 섭식을 유도하지만, 음식 제공 시 오히려 활성이 감소했고, 반대로 LH LepR 신경은 활성화 시 섭식을 유도하면서도 음식 제공 시 활성이 증가했다”며 “이러한 역설적인 결과를 이해하기 위해 인공지능 모델을 도입했고, 이를 통해 새로운 항상성 이론을 수립할 수 있었다”고 밝혔다. ▲ 인공지능을 활용한 모델링 과정 이번 연구는 섭식 행동을 비롯한 생명체의 생존 필수 행동을 뇌가 어떻게 조절하는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공해 향후 섭식 장애, 비만, 식욕 조절 장애 치료에 새로운 전략을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 인공지능 기술을 신경과학에 접목함으로써 인간의 본능적 행동을 수치화하여 이해할 가능성을 열었으며, 이 접근법은 다른 본능적 행동 및 심리 상태를 규명하는 데에도 유용하게 활용될 전망이다. ▲ 대표 실험 결과. 컴퓨터 모델링을 통해 해당 신경 활성이 어느 심리 요소에 더 가까운지 보여준다. (회색 선: 신경 신호, 빨강 선: 최적의 배고픔 모델, 초록선: 최적의 식욕 모델, 파랑, 주황선: 최적의 대조군 모델) 성균관대 김형구 교수와 서울대 최형진 교수의 공동연구 결과는 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 11월 6일 게재됐다. ※ 논문명: A Normative Framework Dissociates Need and Motivation in Hypothalamic Neurons ※ 저널: Science Advances ※ 논문링크: https://doi.org/10.1126/sciadv.ado1820

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.

prev next

Research News

통증의 비밀 : 통증 예측과 외부 자극이 통합돼 나타나
2024-12-05
통증의 비밀 : 통증 예측과 외부 자극이 통합돼 나타나 - 기능적 자기공명영상(fMRI) 기반으로 뇌의 통증 정보 통합 메커니즘 규명 - 통증을 느낄 때 뇌의 어느 영역이 활성화되는지를 넘어, 통증 요인들이 어떻게 통합돼 우리가 통증을 경험하는지가 밝혀졌다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단 우충완 부단장(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 부교수)과 유승범 참여교수(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 조교수) 공동연구팀은 기능적 자기공명영상(functional MRI, fMRI)측정한 뇌 활동 데이터를 기반으로 뇌가 통증 정도에 대한 기대치와 실제 자극의 세기를 어떻게 통합하는지 규명했다. 통증은 외부 자극에 대한 단순한 신체적 반응이 아니라, 생물학적·심리학적 요인들이 복합적으로 작용하는 경험이다. 예시로 통증의 강도는 외부에서 주어지는 자극의 세기뿐만 아니라 자극이 얼마나 아플 것인가에 대한 기대치에도 영향을 받는다. 기존 연구는 통증 요인들이 각각 뇌의 어느 영역을 활성화하는지를 밝혔지만, 이 요인들이 어떻게 하나의 통증 경험으로 통합되는지는 알려진 바가 없었다. 우선 연구팀은 통증 요인들이 통합되는지를 확인하고자 피험자들에게 앞으로 주어질 열 자극(통증 자극)이 얼마나 아플지 예측하게 했다. 이후 피험자의 팔뚝에 열 자극 기기를 부착해 다른 강도의 자극을 전달하며 fMRI로 뇌 신호를 측정했다. 결과적으로 같은 자극의 세기에도 통증이 클 거라고 예상한 피험자가 그렇지 않은 피험자보다 더 아프다고 보고해, 통증에 대한 기대치와 자극의 세기가 통합돼 통증을 느낀다는 것을 확인했다. 다음으로 통증 정보가 뇌에서는 어떻게 통합되는지 밝히기 위한 가설을 세웠다. 통증 정보가 통합되려면 일단 예측과 자극 정보가 보존돼야 한다는 전제하에, 보존과 통합이라는 과정에 중점을 뒀다. 또한, 뇌를 피질계층1)별로 나눠 접근했다. 연구팀의 가설은 감각 영역과 같은 낮은 층위의 영역에서는 두 정보 중 하나만 보존돼 통합이 이루어지지 않지만, 연합 영역과 같은 높은 층위의 영역에서는 모두 온전히 보존 및 통합된다는 것이었다. 이처럼 뇌의 피질계층별로 나누어 fMRI 데이터를 분석한 결과, 가설과 달리 모든 피질계층의 뇌 영역에서 예측과 자극 정보를 모두 보존하고 있었다. 다만, 통증 정보의 통합은 오직 높은 층위의 영역에서만 이루어졌다. 특히, 피질계층 영역별로 각 통증 정보를 보존하는 하위 공간이 존재했고, 높은 층위의 영역에서는 각 하위 공간에서 나오는 정보 패턴들의 합과 실제로 피험자들이 보고한 통증의 양상이 일치했다. 이로써 통증 정보가 단순히 뇌의 특정 영역에서 처리되는 것이 아니라 높은 층위의 영역에서 통합돼 통증 경험을 형성함을 규명했다. 이번 연구성과는 전기생리학 방법론과 뇌 전체 촬영이 가능한 fMRI를 결합해 뇌 전체 수준에서의 통증 정보 처리 메커니즘을 규명했다. 기존 연구는 주로 특정 뇌 영역과 통증 정보의 연관성을 밝히는 데 그쳤다면, 이번 연구는 통증 정보들이 어떻게 통합되는지에 대한 수학적 원리를 밝혔다. 우충완 부단장은 “이번 발견은 통증의 신경과학적 이해를 확장하는 중요한 기틀을 마련했을 뿐만 아니라, 만성 통증 치료의 새로운 전략을 개발하는 데 중요한 단서를 제공했다”고 말했으며, 유승범 교수는 “뇌 활성화 패턴의 기하학적 정보를 이용해 각기 다른 정보의 통합 메커니즘을 밝힌 혁신적 연구”라고 전했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 9월 12일 온라인 게재됐다. 그림 설명 [그림1] 뇌의 활성화 정도를 표상하는 공간과 그 안에서 일어나는 통증 정보의 보존과 통합 A는 뇌의 활성화 정도와 이것이 어떻게 공간상에서 표상될 수 있는지를 보여준다. A의 왼쪽은 fMRI 복셀(fMRI로 촬영된 뇌 영역의 단위) 3개의 시간에 따른 활성화 정도를 나타내고, 오른쪽은 각 복셀들의 활성화 정도가 축이 되어 3차원 공간상에서 표시된 결과이다. 왼쪽의 숫자는 오른쪽 공간상에서 같은 색의 점으로 표현했다. B의 왼쪽에서 기대 하위 공간은 통증에 대한 기대치 정보를, 자극 하위 공간은 통증에 대한 자극의 세기 정보를 보존하는 하위 공간을 나타낸다. 네트워크 복셀들의 활성화 정도를 각각의 하위 공간에 투사시키고, 그 정보들을 기반으로 각 네트워크가 두 정보를 보존 또는 통합하는지를 연구했다. 결과적으로 낮은 피질계층 영역에서는 두 정보가 모두 보존됐지만 피험자들의 통증 보고가 재구성(통합)되지 않았고, 높은 피질 계층 영역에서는 두 정보에 대한 보존과 통합이 모두 일어났다. [그림2] 하위 공간 내 패턴을 기반으로 재구성한 통증 보고와 실제 피험자 통증 보고의 비교 시각 네트워크(낮은 층위의 피질계층)와 변연계(높은 층위의 피질계층) 네트워크에서의 결과. 각 행 왼쪽부터 기대 하위 공간에서의 시간에 따른 뇌 패턴, 자극 하위 공간에서의 시간에 따른 뇌 패턴, 그리고 재구성된 통증 보고와 실제 통증 보고를 비교한 결과를 나타낸다. 기대 하위 공간과 자극 하위 공간에서는 각 기대치와 자극의 세기에 대한 정보를 보존하고 있었다. 마지막 열을 살펴보면 시각 네트워크에서는 기대치에 대한 차이가 있지만, 변연계 네트워크에서는 기대치와 자극 세기 정보 모두 성공적으로 재구성됨을 보여준다. 출처 : IBS 기초과학연구원 Research News 링크

김형구 교수 공동연구팀, 인공지능으로 생명체의 본능적 행동 규명
2024-11-14
글로벌바이오메디컬공학과 김형구 교수 공동연구팀, 인공지능으로 생명체의 본능적 행동 규명 - 인공지능 기반 모델로 시상하부 신경의 ‘배고픔’과 ‘식욕’ 원리 밝혀내 ▲ (왼쪽부터) 이영희 박사(서울대학교), 윤종원 석사과정(성균관대학교), 김형구 교수(성균관대학교), 최형진 교수(서울대학교), 김규식 박사과정(서울대학교), (가운데)김유빈 박사과정(서울대학교) 글로벌바이오메디컬공학과 김형구 교수 연구팀(공동 제1저자 윤종원 석사과정)과 서울대학교 최형진 교수 연구팀(공동 제1저자 김규식 박사과정, 이영희 박사, 김유빈 박사과정)은 공동연구를 통해 인공지능을 활용하여 인간의 본능적 심리 상태를 이해할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 신경과학이 발전함에 따라 동물의 다양한 행동을 관찰하는 기술이 진전되었으나 이러한 신경 신호가 어떻게 본능적 심리 상태를 형성하는지에 대한 이해는 여전히 미흡하다. 기존 연구는 시상하부의 특정 신경이 본능적 행동과 연관된다고 밝혔으나 구체적인 역할과 메커니즘은 명확히 규명하기 어려웠다. 이번 연구는 인공지능을 이용해 뇌 시상하부 신경의 기능을 정량적으로 분석함으로써 본능적 심리 상태와 행동의 관계를 명확히 규명한 첫 사례로 평가받고 있다. 연구팀은 새로운 항상성 이론과 인공지능 기반 신경 모델을 결합하여 시상하부의 Agouti-related peptide(AgRP) 신경이 ‘배고픔’을, 렙틴 수용체(LH LepR) 신경이 ‘식욕’을 표상함을 밝혔다. 특히, 시상하부 신경의 활동 패턴을 실험적으로 관찰하고 이를 정교하게 분석함으로써 배고픔과 식욕이 특정 신경 집단의 활동 패턴으로 나타나는 과정을 실험적으로 증명했다. 김형구 교수는 도파민의 역할을 구분하기 위해 개발한 컴퓨터 모델링을 사용해 신경 활성화를 구분하는 방법론을 개발했으며, 이를 바탕으로 서울대 최형진 교수 연구팀의 새로운 항상성 이론을 수식적으로 표현하는 데 성공했다. ▲ 정통적인 항상성 이론과 최신 뇌과학 발견들을 융합한 최신 이론 김형구 교수는 “이번 연구는 인공지능과 신경과학의 융합을 통해 복잡한 신경 회로의 활동을 정량적으로 분석한 첫 사례로, 생명체의 본능적 행동을 수치적으로 이해하는 데 중요한 전환점이 될 것”이라며 “특히 시상하부 신경의 활동이 어떻게 배고픔과 식욕 같은 본능적 욕구를 조절하는지를 구체적으로 밝힌 점에서 큰 의의가 있다”고 전했다. 서울대 최형진 교수는 “섭섭식 행동 연구 중 시상하부에서 관찰된 신경 반응은 기존 이론으로 설명하기 어려웠다. AgRP 신경은 활성화 시 섭식을 유도하지만, 음식 제공 시 오히려 활성이 감소했고, 반대로 LH LepR 신경은 활성화 시 섭식을 유도하면서도 음식 제공 시 활성이 증가했다”며 “이러한 역설적인 결과를 이해하기 위해 인공지능 모델을 도입했고, 이를 통해 새로운 항상성 이론을 수립할 수 있었다”고 밝혔다. ▲ 인공지능을 활용한 모델링 과정 이번 연구는 섭식 행동을 비롯한 생명체의 생존 필수 행동을 뇌가 어떻게 조절하는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공해 향후 섭식 장애, 비만, 식욕 조절 장애 치료에 새로운 전략을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 인공지능 기술을 신경과학에 접목함으로써 인간의 본능적 행동을 수치화하여 이해할 가능성을 열었으며, 이 접근법은 다른 본능적 행동 및 심리 상태를 규명하는 데에도 유용하게 활용될 전망이다. ▲ 대표 실험 결과. 컴퓨터 모델링을 통해 해당 신경 활성이 어느 심리 요소에 더 가까운지 보여준다. (회색 선: 신경 신호, 빨강 선: 최적의 배고픔 모델, 초록선: 최적의 식욕 모델, 파랑, 주황선: 최적의 대조군 모델) 성균관대 김형구 교수와 서울대 최형진 교수의 공동연구 결과는 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 11월 6일 게재됐다. ※ 논문명: A Normative Framework Dissociates Need and Motivation in Hypothalamic Neurons ※ 저널: Science Advances ※ 논문링크: https://doi.org/10.1126/sciadv.ado1820

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

prev next

SKKU Movie

SKKU Announcement

News
Notice
Press
Research

Link