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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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IBS 김성기 단장, ISMRM 골드메달 수상

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
- 작성일 2024-05-08
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신미경 교수, 조직 재생 필러로 빠른 로봇 재활 가능성 열었다

[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.
- 작성일 2023-11-09
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김성기 교수 연구팀, 영화 상영하듯 뇌에 빔 프로젝터 쏴 뇌 연결지도 만든다

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
- 작성일 2023-07-28
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글로벌바이오메디컬공학과 이준열 교수 연구팀, 사전 예측이 감각운동 향상시키는 신경 기전 밝히다

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)
- 작성일 2023-07-28
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