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뇌종양, 주변 뉴런 과활성화 유도…소교세포가 관여

뇌종양, 주변 뉴런 과활성화 유도…소교세포가 관여 - 뇌종양에서만 나타나는 소교세포 수용체 감소 확인 - 신경 과활성화와 종양 성장 연결 고리 밝혀 ▲ 글로벌바이오메디컬공학과 서민아 교수, 박천권 교수, 예재승ㆍ이나경 박사과정생 우리대학 연구진이 뇌종양이 뇌 속 뉴런의 과도한 흥분 상태(과활성화)를 유도하는 데, 뇌 면역에 관여하는 소교세포(microglia)가 중요한 역할을 한다는 사실을 새롭게 밝혀냈다. 특히 이 현상이 뇌종양에 특이적으로 나타나는 현상이며, 소교세포 수용체의 변화가 핵심 원인임을 규명해, 뇌종양 치료에 새로운 실마리를 제공할 것으로 기대된다. 그동안 뇌종양세포가 주변 뉴런을 직접 자극해 과활성화를 유도하고, 이로 인해 종양의 성장과 확산이 가속화되는 악순환 메커니즘이 존재한다는 것은 알려져 있었다. 그러나 이러한 뉴런의 과활성화 현상이 다른 암과 구별되는 뇌종양 특이적 특징인지, 또 어떤 세포가 이 과정에 관여하는지는 명확히 밝혀지지 않았다. 연구진은 이에 착안해, 소교세포의 수용체 ‘P2RY12’에 주목했다. 이 수용체는 뉴런의 흥분 상태를 조절하며, 정상적인 뇌에서는 과도한 뉴런 활성을 억제하는 역할을 한다. 연구팀은 뇌종양 모델과 뇌 전이암 모델을 비교해 이 수용체의 변화를 추적했다. 그 결과, 뇌종양에서는 소교세포의 P2RY12 발현이 크게 감소했고, 이로 인해 뉴런이 비정상적으로 과활성화되는 현상이 뚜렷하게 나타났다. 반면, 다른 암이 뇌로 전이된 경우에는 P2RY12 수용체가 유지되어 뉴런의 과활성화가 거의 나타나지 않았다. 이는 P2RY12의 소실이 뇌종양에서만 나타나는 특이 현상이며, 이를 통해 뇌종양이 주변 미세환경까지 변화시킨다는 것을 보여준다. ▲ 뇌종양 환경에서 특이적으로 소교세포의 P2RY12 수용체가 상실됨에 따라 뉴런의 과활성화 상태가 나타나는 개략도 또한 연구진은 P2RY12 수용체의 기능을 인위적으로 차단했을 때, 전이암 모델의 뇌에서는 뉴런 활성이 증가했지만, 뇌종양 주변 미세환경에서는 이미 수용체가 사라져 있어 추가적인 변화가 없다는 점도 확인했다. 이 결과는 P2RY12 수용체의 상실이 뇌종양 미세환경에서 뉴런 과활성화의 중요 요인임을 입증한다. 연구팀은 “이번 연구는 뇌종양이 단순히 암세포 증식만이 아니라, 뇌 내 미세환경까지 교란시켜 뉴런 활성을 비정상적으로 변화시키는 질환임을 보여준다”며, “소교세포를 표적으로 한 새로운 치료법 개발에 기초가 될 수 있다”고 말했다. 이번 연구는 글로벌바이오메디컬공학과 서민아·박천권 교수(공동 교신저자) 연구팀과 박사과정 연구원 예재승·이나경(공동 제1저자)이 참여했으며, 기초과학연구원(IBS) 뇌과학이미징연구단, BK21, 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다. 연구 성과는 임상신경학 및 종양학 분야의 권위 있는 국제학술지 Neuro-Oncology에 7월 30일자로 게재되었다. ※ 논문명: Glioma-associated microglia potentiate neuronal hyper-excitability in the glioma environment ※ 학술지: Neuro-Oncology(IF 13.4, JCR 상위 1.2%) ※ 논문링크: https://doi.org/10.1093/neuonc/noaf181
- 작성일 2025-09-24
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박천권 교수 연구팀, 생리대 안전성 과학적 검증 결과 발표

글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수 연구팀이 하와이대학교 김주희 교수 연구팀, 충북대학교 김세나 교수와 함께 시중에서 판매되는 생리대의 화학적 안전성과 독성 수준을 종합적으로 평가한 국제 공동연구 결과를 발표했다. 이번 연구는 2025년 8월 29일 발표되었으며, 여성 건강과 밀접한 위생용품의 안전성을 다룬 최초의 포괄적 분석이라는 점에서 큰 의미를 가진다. 연구팀은 국내외 유통 중인 29종의 생리대를 대상으로 ▲휘발성유기화합물(VOCs) 방출, ▲미세플라스틱 검출, ▲세포독성 평가 등을 다각도로 분석했다. 그 결과, 다수 제품에서 톨루엔*이 0.04~2.79 μg/패드 수준으로 검출되었으며, 이는 기존 산업 안전 기준치(37 mg/m⁻³)보다는 낮지만, 피부 흡수 특성과 장기간 사용 환경을 고려하면 보다 면밀한 검토가 필요하다는 지적이다. *톨루엔: 산업적으로 널리 쓰이는 휘발성 유기화합물로 피부나 점막에 반복적으로 노출될 경우 건강에 해로울 수 있음 또한, 모든 생리대 제품에서 폴리프로필렌(PP) 기반의 미세플라스틱이 확인되었고, 일부 제품에서는 PET 및 PE 등 다른 종류의 미세플라스틱도 소량 검출됐다. 최근 미세플라스틱이 인체 건강에 미치는 영향에 대한 우려가 커지는 가운데, 이번 연구는 생리대와 같은 밀착형 위생용품에서의 미세플라스틱 노출 가능성을 과학적으로 입증했다는 점에서 주목받고 있다. 세포독성 실험 결과, 일부 생리대는 세포 생존율이 80% 이하로 나타나 중등도의 세포독성이 확인되었다. 특히 ‘유기농’으로 표시된 일부 제품에서도 세포독성이 관찰되어 추가적인 검증 연구가 요구된다. 이러한 결과는 제조 공정에서 사용되는 화학물질의 종류와 처리 방식이 제품의 독성 수준에 직접적인 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 박천권 교수는 “이번 연구는 위생용품의 안전성 문제에 대해 구체적인 과학적 데이터를 바탕으로 경각심을 불러일으킨 의미 있는 결과”라며, “장시간 피부에 밀착되는 제품일수록 성분의 투명성과 안전성 검증이 필수적”이라고 강조했다. 이번 연구는 성균관대학교, 하와이대학교, 충북대학교의 연구진이 참여한 국제 공동연구로, 여성 건강과 소비자 안전 확보 차원에서 공중보건 정책 및 제품 규제 기준 수립에 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다. 연구결과는 환경 위해성 평가와 안전성 연구 분야에서 가장 영향력 있는 학술지 중 하나인 Journal of Hazardous Materials(Impact Factor 12.2)에 게재됐다. DOI : https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139702
- 작성일 2025-09-18
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김태형 교수 연구팀, 실시간 미토콘드리아 활성 분석이 가능한 나노복합체 기반 전기화학 플랫폼 개발

심근세포로의 직접 리프로그래밍 과정에서 실시간 미토콘드리아 활성 분석이 가능한 나노복합체 기반 전기화학 플랫폼 개발 - 세포 리프로그래밍 과정의 대사 조절 기전 규명 및 심장 재생 치료제 개발에 기여할 것으로 기대 ▲(왼쪽부터) 김태형 교수, 구경모 박사후연구원, 연세대학교 의과대학 진윤희 교수, 서승주 연구원 - 김태형 교수 연구팀과 연세대학교 의과대학 진윤희 교수 연구팀은 직접 리프로그래밍을 통해 유도된 심근세포 유사체(CiCMs)의 미토콘드리아 대사 활성을 30초 이내에 실시간·비파괴적으로 정량 분석할 수 있는 전기화학 기반 나노복합체 플랫폼(Poly-l-lysine/Matrigel double layer coated gold nanostructured composites, PMGN)을 개발했다. 특히 심장 질환은 여전히 전 세계 사망 원인 1위를 차지하고 있으며, 현재의 약물 및 수술적 치료는 주로 증상 완화에 그쳐 손상된 심근 기능을 회복하지 못한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 직접 리프로그래밍 기술은 유망한 대안이지만, 기존의 세포 기능 분석 방법들은 대부분 세포를 고정하거나 파괴해야 하며 분석 과정이 복잡하고 장시간이 소요되어 임상 적용에 어려움이 있었다. ▲[그림1] 심근세포로의 리프로그래밍 과정에서 실시간 미토콘드리아 활성 분석이 가능한 나노복합체 기반 전기화학 플랫폼 개발 연구 개요도 - 이에 연구팀은 금 나노구조 전극에 poly-L-lysine과 Matrigel을 이중 코팅함으로써, 세포 부착 안정성과 전기화학 신호 민감도를 동시에 확보한 새로운 기능성 플랫폼을 구축하였다. 해당 플랫폼은 심근세포의 직접 리프로그래밍 과정 중 일어나는 해당작용에서 산화적 인산화(OXPHOS)로의 대사 전환을 약 30초 이내에 실시간 감지할 수 있으며, 세포 손상 없이 동일 세포를 반복적으로 측정 가능하다는 점에서 기존 분석법 대비 효율성과 정밀도가 크게 향상된다. 실제로 본 기술을 통해 최대 29일간 장기 배양된 심근세포에서의 기능성 변화를 비표지/비파괴방식으로 실시간 추적을 하였으며, 독소루비신, 렘데시비르, 로시글리타존(심독성 약물) 및 리라글루타이드(비독성 약물) 등 총 4종의 약물에 대한 심독성 반응을 실시간으로 정량 평가하는 데 성공하였다. - 이번 연구성과는 재생의학 기반 세포치료제의 기능성 평가 및 품질 관리, 나아가 심혈관계 신약 개발을 위한 심독성 예측 플랫폼으로의 폭넓은 응용 가능성을 제시하며, 세포 기반 치료 및 약물개발 분야의 실용적 전환점을 마련할 것으로 기대된다. - Keywords: 세포 부착 고분자, 금 나노구조체, 전기화학 분석법, 직접 심근세포 리프로그래밍, 미토콘드리아 대사, 심독성 평가 - 이에 김태형 교수는 “본 전기화학 기반 미토콘드리아 활성 평가기술과 플랫폼 (PMGN platform)은 세포 기능성을 손상 없이 정량적으로 분석할 수 있어, 심장 재생 세포치료제의 품질 관리뿐만 아니라 심독성 약물 선별과 임상 적용 평가에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.”며, “특히 많은 지원을 해준 성균관대학교와 산학협력단 관계자분들께 감사드린다”고 소감을 전했다. - 이 연구 결과는 과학기술정보통신부와 보건복지부가 지원하는 한국연구재단, 재생의료기술개발사업, 한국형 ARPA-H 프로젝트, 보건의료기술연구개발사업의 연구비 지원을 통해 수행되었으며, MATERIALS SCIENCE, COMPOSITES 분야 국제학술지 Advanced Composites and Hybrid Materials지 (IF: 23.2, 상위 1.4%)에 2025년 05월 30일에 게재되었다. - 논문제목: In situ monitoring of mitochondrial redox dynamics during cardiac reprogramming using a poly-l-lysine/Matrigel-coated gold nanostructured composite platform
- 작성일 2025-06-09
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신미경 교수 공동연구팀, 극심한 근육 손상 회복 위한 차세대 로봇 재활 시스템 제조 프로토콜 보고

우리 대학 연구진, 극심한 근육 손상 회복 위한 차세대 로봇 재활 시스템 제조 프로토콜 보고 - 주사형 전기전도성 보형물과 신축성 자가치유 전극 통합 - 신미경ㆍ손동희 교수 연구진, 재활의료 기술 선도 ▲(왼쪽부터) 신미경 교수, 손동희 교수, 진수빈 석박사통합과정생, 및 최희원 석박사통합과정생 글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수 및 전자전기공학과 손동희 교수 연구팀은 근조직 재생과 즉각적인 재활을 위한 주입형 전도성 하이드로겔과 신축성 전극의 제조 및 평가방법, 이를 통합한 폐루프 방식의 로봇 재활 시스템의 개발 프로토콜을 세계적인 학술지 네이쳐프로토콜스(Nature Protocols)에 지난 5월 19일 발표했다. 기존 연구에서는 조직 재생용 하이드로겔의 기계적 불안정성과 낮은 전도성으로 인해 조직 간 전기적 신호의 전달이나 생체전자 기기와의 효과적인 인터페이싱이 어려웠고, 이로 인해 실제 기능 회복을 위한 신경·근육 조직의 능동적 재건에는 한계가 있었다. 한편, 재활 분야에서는 생체 신호를 기반으로 한 폐루프(closed-loop) 시스템의 필요성이 대두되었지만, 조직에 안정적으로 부착되며 신호를 주고받을 수 있는 유연하고 자가치유 가능한 전극 소재의 부재로 인해 실시간 피드백 기반의 정밀한 로봇 재활 구현 역시 제한적이었다. 연구팀은 이와 같은 복합적인 한계를 극복하기 위해 전도성 하이드로겔*, 자가치유 신축성 전극**, 폐루프 로봇재활시스템***의 세가지 요소를 통합하여, 하나의 체계적이고 재현 가능한 실험 프로토콜로 정립하였다. 특히 이 프로토콜은 주입형 전도성 하이드로겔, 신축성 자가치유 전극의 개발에 이어 실제 근육 결손 동물 모델에 하이드로겔을 주입한 뒤 생체 신호를 감지하고 이에 따른 로봇 제어까지 이어지는 연속적인 실험 흐름을 포괄하고 있어, 향후 다양한 생체전자 및 조직재생 연구에 참고 가능한 기술적 기반을 제공하였다. ▲ 극심한 근육 손상의 회복에 사용가능한 주사형 조직 보형물 및 신축성 자가치유 전극을 통합한 폐루프 로봇 재활 시스템 구성요소 개발을 위한 실험 절차 개략도 이와 같이, 이러한 통합형 재활 시스템은 근육 재생에 국한되지 않고, 말초신경, 척수, 심장 등 다양한 전기활성 조직의 재생 및 기능 회복 연구에도 적용 가능한 기반 기술로 확장될 수 있어, 향후 생체전자 플랫폼 및 조직 보철제 개발 분야에서 폭넓은 활용이 기대된다. 신미경 교수는 “이번 프로토콜은 조직 손상에 따른 생체신호 변화를 해석하고, 주사로 투여 가능한 하이드로겔을 이용해 기능 회복을 유도할 수 있는 구체적 실험 방법을 제시한 것에 의의가 있다”고 밝혔다. 손동희 교수는 “바이오소재와 생체전자, 로봇 시스템을 통합한 융합 프로토콜을 통해, 다양한 전기활성 조직(신경, 심근, 척수 등)의 재생 및 인터페이싱 연구가 더 폭넓게 진행되길 기대한다”고 전했다. ※ 논문명:An injectable conductive hydrogel for closed-loop and robot-assisted rehabilitation via stretchable patch-type electrodes ※ 저널명: Nature Protocols ※ 저자명: 신미경, 손동희 (교신저자), 진수빈, 최희원 (제1저자) * 전도성 하이드로겔: 전기를 통할 수 있는 성질을 가진 젤 형태의 물질로, 고분자와 물로 이루어진 연성 소재 ** 자가치유 신축성 전극: 외부 힘에 의해 손상되었을 때 스스로 전기적 및 구조적 기능을 회복할 수 있는 특성을 가지며, 동시에 잘 늘어나는 성질을 가진 전극 *** 폐루프 로봇 재활 시스템: 사람이나 동물의 몸에서 발생하는 생체 신호를 감지한 후, 그 신호에 맞춰 자극이나 동작을 자동으로 조절하는 방식의 재활 장치 ◎ 출처 : 성대뉴스 게시판읽기 ( 우리 대학 연구진 , 극심한 근육 손상 회복 위한 차세대 로봇 재활 시스템 제조 프로토콜 보고 ) | 성균관대학교 ◎ 성균관대 Research Stories : Research Stories 게시판읽기 ( 뇌질환 치료의 전환점 , 전자패치 - 초음파 기반 전자약으로 맞춤치료 ) | 성균관대학교
- 작성일 2025-05-30
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[2025 포브스코리아 30세 미만 30인] 김수민 박사과정생 선정

“심장과 뇌는 인체에서 가장 중요한 장기로, 문제가 발생했을 때 신속한 대응이 이뤄지지 않으면 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 생체의료기기 소재 개발은 전 세계적으로 큰 관심을 받고 있습니다. 원격 진료·치료가 가능한 생체의료기기 소재를 개발해 글로벌 의료 기술 혁신에 기여하고자 합니다.” 김수민 성균관대 지능형정밀헬스케어연구단 박사과정생은 조직 접착성을 가지는 치료용 생체재료를 연구 중이다. 특히 전자소자와 접착성 하이드로젤을 결합해 체내에 삽입 가능한 생체의료기기 소재를 개발하는 데 집중하고 있다. 권위 있는 학술지에도 그의 논문이 실렸다. 심장 조직에 부착 가능한 양방향성(심전도 신호 계측·심장 조직 자극을 통한 심박 조율이 가능한) 전자소자에 관한 연구는 〈네이처 일렉트로닉(Nature Electronics)〉에 게재됐다. 심장은 인체 장기 중에서도 움직임이 많아 접근이 어려운 조직인데, 그가 개발한 생체전자 소재를 이식한 동물 모델에서 4주간 구동됐다는 점이 주목받았다. 특히 이 연구는 2024년 국가연구개발 우수성과 100선에 선정된 바 있다. 또 다른 학술지 〈어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)〉에는 주사 가능한 전도성 하이드로젤에 관한 논문이 발표됐다. 이 연구논문은 최소 침습이 적용될 수 있는 전도성 생체재료의 가능성을 제시했다는 평가를 받았다. 그는 “하이드로젤의 단점을 보완하면서도, 가장 큰 장점인 부드러운 물성을 유지할 수 있는 새로운 소재를 개발하는 것을 목표로 한다”며 “이를 위해 고분자 과학에 대한 연구를 더욱 심화해 높은 생체 친화도를 유지하면서도, 장기간 안정적인 구동이 가능한 생체소재를 개발하는 것을 가까운 목표로 삼고 있다”고 말했다. - 이정은 기자 lee.jeongeun2@joongang.co.kr _ 사진 최영재 기자 * 출처 : 포브스 코리아
- 작성일 2025-03-31
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김태형 교수 연구팀, 줄기세포의 공간 특이적 다중 자동분화 플랫폼 FANTA 개발

김태형 교수 연구팀, 줄기세포의 공간 특이적 다중 자동분화 플랫폼 FANTA 개발 - 다공성 나노입자 코팅 기술을 통한 줄기세포 정밀 제어의 혁신적인 시스템 제공 - 장기칩 (Organ-on-a-chip) 연구 및 다양한 오가노이드 분화 적용 가능 ▲(왼쪽부터) 김태형 교수, 조연우 박사과정 학생, 강민지 연구원 (2025-1학기 박사과정 입학예정) 글로벌바이오메디컬공학과 김태형 교수 연구팀은 단일 플랫폼에서 공간 특이적으로 줄기세포의 다중 자동 분화를 정밀하게 제어할 수 있는 FANTA(Functionally Aligned Nanoparticle-Trapped Nanopattern Arrays) 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 복잡한 오가노이드 및 장기 칩 연구를 위한 혁신적인 도구로 주목받고 있다. 최근 다양한 오가노이드 및 장기 칩이 개발되면서, 여러 종류의 세포가 공간 특이적으로 배열되어 조직을 형성하지만, 기존 배양 시스템에서는 모든 세포가 동일한 환경에 노출되어 다중 분화를 정밀하게 제어하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 3종의 뼈 분화 유도 인자를 21일 이상 서방출할 수 있는 다공성 MOF(metal-organic frameworks) 나노입자를 서로 다른 나노 구조로 설계된 단일 나노어레이 플랫폼에 선택적으로 코팅했다. ▲[그림1] 다공성 MOF 나노입자-나노패턴 기반 줄기세포의 공간 특이적 다중 자동분화 플랫폼 FANTA의 개요도 이를 통해 추가적인 유도 인자 없이 일반 성장 배지만으로도 뼈 분화가 유도되었으며, 기존 프로토콜 대비 분화 및 성숙도가 60배 이상 증가했다. 또한, FANTA 플랫폼에서 지방 분화 배지를 처리한 결과, 나노입자가 코팅된 영역에서는 뼈세포가, 코팅되지 않은 영역에서는 지방세포가 98% 이상의 선택도로 공간 특이적으로 동시 생성되었으며, 이를 통해 뼈 속질 경계면을 성공적으로 모사할 수 있었다. ▲[그림2] FANTA 플랫폼의 공간 특이적 다중 자동 분화 (뼈, 지방) 및 뼈 속질 경계면 모사 결과 연구팀은 나노패터닝과 나노입자 코팅 기술을 활용해 해상도를 정밀하게 조절할 수 있음을 입증하며, 보다 복잡한 줄기세포의 공간 특이적 다중 분화 제어가 필요한 오가노이드 및 장기 칩 개발에도 적용 가능성을 제시했다. 김태형 교수는 “FANTA 플랫폼은 성체 줄기세포뿐만 아니라 만능 줄기세포의 다양한 분화에도 적용될 수 있으며, 오가노이드 및 어셈블로이드와 같은 복잡한 3차원 세포 구조체의 자동 분화에도 응용될 것”이라고 밝혔다. 본 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, Impact Factor = 14.7, JCR Ranking 상위 5.56%)에 2월 6일 게재되었으며, 한국연구재단 나노 및 소재기술 개발 사업, 기초연구실 사업, 한국보건산업진흥원의 한국형 ARPA-H 프로젝트 지원을 받아 수행되었다. ※ 논문명: Spatially controlled multicellular differentiation of stem cells using triple factor-releasing metal–organic framework-coated nanoline arrays ※ 학술지: Nature Communications (IF: 14.7) ※ 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56373-0
- 작성일 2025-02-24
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신미경 교수 차세대 한림원 회원 선출

글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수는 한국과학기술한림원 (과기한림원)에서 선정한 2025년도 한국차세대과학기술한림원(Y-KAST) 회원으로 선출되었다. 좌측 상단부터 신유정(전북대), 김재훈(KAIST), 박진희(DGIST), 이상규(IBS), 이성빈(KAIST), 최창혁(포스텍), 김산하(KAIST), 신미경(성균관대), 안지환(포스텍), 오동엽(인하대), 이웅(KIST), 조강우(포스텍), 주진현(KAIST), 황의종(KAIST), 권춘탁(경희대), 박준원(서울대), 정영훈(경북대), 이시형(서울대), 정현정(KAIST), 차재국(연세대) 등 2025년도 Y-KAST 신입 회원 20인. 과기한림원 제공 한국과학기술한림원(과기한림원)은 과학기술 분야에서 탁월한 연구 성과를 발표하며 두각을 나타내고 있는 젊은 과학자 20인을 2025년도 한국차세대과학기술한림원(Y-KAST) 회원으로 선출했다고 17일 밝혔다. Y-KAST 회원은 과기한림원이 선발한 만 43세 이하의 젊은 과학자 중 학문적 성과가 뛰어난 연구자다. 특히 박사학위 후 국내에서 독립적 연구자로서 이룬 성과를 중점 평가함으로써 한국 과학기술 발전에 기여할 가능성이 큰 차세대 과학기술 리더가 최종 선출된다. 올해 선출된 회원에는 그래프 이론과 조합론 분야의 차세대 수학자인 김재훈 KAIST 교수, 전기화학 분야의 100년 난제 해결에 앞장서고 있는 최창혁 포스텍 교수, 응집물질물리학 분야에서 독보적 성과를 도출하고 있는 이성빈 KAIST 교수, 천연 고분자 하이드로젤 연구로 네이처(Nature) 등에 논문을 발표한 신미경 성균관대 교수 등 이미 세계적으로 주목받고 있는 연구리더가 다수 포함됐다. 올해 선출된 회원의 평균나이는 만 40.4세다. 경북대와 한국기초과학연구원(IBS) 등 2개 기관에서 첫 Y-KAST 회원을 배출했다. 정영훈 경북대 교수, 이상규 IBS 책임연구원이다. 한림원은 19일 오후 4시 한림원 본원에서 ‘2024 Y-KAST Members’ Day’를 개최하고 신임 Y-KAST 회원을 대상으로 회원패 수여 및 연구업적 소개 등 연구자 간 교류을 진행할 계획이다. Y-KAST는 2017년 2월 출범한 국내 유일의 영아카데미로서 만 45세 이하의 우수한 젊은 과학자들이 주축이 되어 정책 활동과 해외 교류를 수행 중인 단체다. 현재 독일, 영국, 스웨덴, 일본 등 50여 개국에서도 Y-KAST와 비슷한 영아카데미를 운영 중이다. 출처 : 동아사이언스 (미래 한국과학을 이끌 젊은 과학자 20인... 차세대 한림원 회원 선출)
- 작성일 2024-12-19
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통증의 비밀 : 통증 예측과 외부 자극이 통합돼 나타나

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
- 작성일 2024-12-05
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김형구 교수 공동연구팀, 인공지능으로 생명체의 본능적 행동 규명

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
- 작성일 2024-11-14
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홍석준 교수, 시상-대뇌피질 연결성이 두뇌 발달에 미치는 영향 최초 규명

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).
- 작성일 2024-08-02
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