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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
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- 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)
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- 작성일 2023-07-28
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- 우충완 교수, fMRI 데이터 기반 반추 예측 모델 개발
- "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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- 작성일 2023-07-20
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- 우충완 교수 - 대한통증연구학회에서 김찬 학술상 수여
- 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수님이 대한통증연구학회(http://www.koreapain.org/)에서 김찬 학술상을 수여했습니다. 김찬학술상 정보 1. 대 상 대한통증연구학회 정회원을 대상으로 하며, 주 저자(제1저자 또는 책임저자)에게 수여함을 원칙으로 합니다. 2. 지원 분야 논문의 내용에 따라 동물실험이나 세포, 조직 등을 이용한 실험 논문과 환자 또는 인간을 대상으로 한 임상 논문을 포함하여 수상자를 결정합니다. (지원 분야가 적절치 않을 경우 학술상 심사위원회에서 조정할 수 있습니다.) 3. 대상 업적 공모일 1년 전부터 (2021년 10월1일부터 2022년 9월 30일) 국내외 권위 있는 통증 분야 학술지에 게재(수락)된 논문 중 다른 상을 수상하지 않은 논문을 대상 업적으로 합니다. 외국 연수 중 연수 기관에서 연구하여 발표한 논문은 제외합니다.
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- 작성일 2022-11-17
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- 우충완 교수 - 2022년 국가연구개발 우수성과 100선 선정
- 과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 ‘2022년 국가연구개발 우수성과 100선’(이하 ‘우수성과 100선’)을 선정하여 최종 발표하였다. 우수성과 100선은 국가 발전을 견인해 온 과학기술의 역할에 대해 국민들의 이해와 관심을 제고하고 과학기술인들의 자긍심을 고취하고자 범부처적으로 국가연구개발 우수성과를 선정하는 제도로서, 올해로 17년차를 맞이하였다. 올해는 정부지원을 받아 수행한 약 7만5천여 연구개발(R&D) 과제 중(’21년 기준), 각 부‧처‧청이 선별․추천한 총 852건의 후보성과를 대상으로, 산‧학‧연 전문가 100명으로 구성된 선정평가위원회(위원장 이혜숙 교수, 가톨릭대)에서 질적 우수성*을 평가한 후, 대국민 공개검증을 거쳐 최종 100건의 우수성과를 선정(최우수성과 총 12건 포함)**하였다. * 연구개발 효과(기술 완성도, 수준 향상, 개발 촉진) 및 경제사회적 파급 효과 등 ** 6개 기술분과별 선정 현황 : 기계·소재 19건 / 생명·해양 24건 / 에너지·환경 18건 / 정보·전자 19건 / 융합 10건 / 순수기초·인프라 9건 최종 우수성과 100선의 면모를 살펴보면, 국민이 바라는 대한민국 미래* 실현에 기여할 수 있는 다양한 성과들이 포함되어있다. *「대한민국 과학기술 미래전략 2045」(’20.10월) : 보다 ①안전하고 건강한, ②풍요롭고 편리한, ③공정하고 차별 없는 소통․신뢰, ④인류사회에 기여하는 과학기술 ① 보다 안전한 사회를 위한 ‘사회 안전 인프라용 세계 최고 내진·내화 복합성능 H형강 저탄소 제품 국산화(정준호, 현대제철(주))’ 성과는 구조물의 고층화 추세에 따라 지진·화재 등의 재해를 대비하는 반드시 필요한 기술이며, 보다 건강한 사회를 위한 ‘신개념 뇌동맥류 수술 시스템 개발 및 동물 실험을 통한 성능 검증(김준원, 포항공대)’ 성과는 광섬유가 통합된 이중구조의 도관을 이용하여 고분자 미세섬유를 연속적으로 생성하는 방법으로서, 혈관 내 질환을 효과적으로 치료할 수 있는 차세대 수술 시스템이다. ② 보다 풍요로운 사회를 위한 ‘자기장을 이용해 뇌의 운동신경을 무선 및 원격으로 정밀 제어하는 나노 자기유전학 기술 개발(천진우, 기초과학연구원)’ 성과는 자기장으로 뇌신경을 자극하여 생체신호를 조절하고 최소한의 수술로 뇌질환 치료까지 가능한 기술이며, 보다 편리한 사회를 위한 ‘5G 기반 열차 중심 철도신호 기술개발(정락교, 한국철도기술연구원)’ 성과는 세계 최초 5G 기반 열차 중심 제어와 주행 중 결합·분리 기술로서, 막대한 비용이 수반되는 노선의 증설을 대신할 수 있는 경제적인 대안이 될 수 있다. ③ 디지털 인프라 기반 소통 사회를 위한 ‘게임이 아닌 현실 같은 초실감 메타버스 서비스를 위한 이머시브 미디어 원천기술(서정일, 한국전자통신연구원)’ 성과는 메타버스 환경에서도 현실과 같은 3차원 입체영상을 자유롭게 시청할 수 있는 기술이며, 신뢰 사회를 위한 ‘AI 기반 안드로이드 악성코드 분석 플랫폼 기술 관련 특허 미국 10대 보안회사 기술이전(정수환, 숭실대)’ 성과는 탐지․분석을 우회․회피하는 등 공격자에 의해 지능화된 악성코드 동작을 무력화 하는 기술로, 탐지율을 획기적으로 향상하는데 기여하였다. ④ 인류사회에 기여하는 수소에너지 난제를 해결하기 위한 ‘볼 밀링 법을 통한 기계 화학적 암모니아 합성(백종범, 울산과학기술원)’ 성과는 세계 최초로 상온·압 조건의 친환경 암모니아 생산 기술로서, 수소경제 가치 사슬의 핵심 원료인 암모니아의 수송·저장 문제를 획기적으로 개선할 수 있으며, 기후변화 문제 해결을 위한 ‘지구 온난화의 원인인 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하는 전기화학 합성 기술 개발(오형석, 한국과학기술연구원)’ 성과는 전기화학적 이산화탄소 전환 기술의 상용화를 위한 가교 역할뿐만 아니라 탄소중립 시대에 부합한 새로운 사업의 가능성을 제시하였다. 또한, 국가연구개발사업으로 창출된 우수성과의 국민 체감도를 높이기 위해 ‘사회문제를 해결하는 연구개발성과’ 선정 과정에 일반 국민이 직접 참여하는 온라인 투표*(약 5천명 참여, 종합 10선 선정) 절차를 진행하였다. * 공개검증(10.6.～10.31) 대상 후보성과 100건 전체를 대상으로 투표 실시(10.12～10.25.) 국민들이 사회문제해결 성과로 가장 많이 선택한 ‘하반신 마비 장애인을 위한 전동형 외골격 로봇 엔젤렉스 M20의 개발 및 최첨단 로봇 재활 솔루션 제공과 국내 의료기관 보급 성공(공경철, ㈜엔젤로보틱스)’ 성과는 착용자 의도에 따라 보조력을 제공하는 지면 보행형 웨어러블 로봇으로, 환자의 빠른 일상복귀에 기여할 수 있다는 점에서 높은 관심을 끌었고, ‘골든타임 사수 119 인공지능 신고접수(권은정, 한국전자통신연구원)’ 성과는 119 신고 초동 대응을 돕는 똑똑한 신고시스템으로서 소방·안전 관련 각종 위기상황에서 국민 피해를 줄일 수 있다는 점이 좋은 평가를 받았다. 이번 우수성과 100선으로 최종 선정된 성과는 과기정통부장관의 인증서와 현판이 수여되고 관계규정에 따라 사업과 기관평가 등에서 가점을 받게 되며, 선정된 연구자는 국가연구개발 성과평가 유공포상(훈·포장, 대통령표창, 국무총리표창 등) 후보자로 적극 추천되는 등의 혜택이 제공된다. ※ 주요 온라인 서점 e-Book 무상배포(’22년 우수성과 100선 사례집), ‘2022 대한민국 과학기술대전(12.15～17, 킨텍스)’ 통합부스 전시 참여 등 온․오프라인 대국민 홍보 예정 과기정통부 주영창 과학기술혁신본부장은 “과학기술이 우리나라의 사회문제를 해결하고 미래를 열어가는 중심이 될 수 있도록 지속적으로 국가연구개발 예산을 확대할 계획이며, 국민들이 체감할 수 있는 연구성과 홍보 등 소통도 계속 노력할 것”이라고 밝혔다. 출처: [BRIC Bio통신원] 2022년 국가연구개발 우수성과 100선 선정 ( https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=346453 )
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- 작성일 2022-11-17
- 조회수 1114
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- 박장연 교수 연구팀, 생각의 흐름을 볼 수 있는 초고속 뇌 신경활동 영상기술 세계 최초 개발
- 글로벌바이오메디컬공학과 박장연 교수 연구팀은 수 밀리 초의 초고시간해상도로 생체 내 뇌 신경활동을 직접 영상화할 수 있는 차세대 뇌기능 영상기술을 세계 최초로 개발하였다. 제안된 초고속 뇌 신경활동 영상기술의 주된 검증은 전기 생리학 연구 그룹인 고려대학교 곽지현 교수(현재 서울대학교 뇌인지과학과) 연구팀과의 협업으로 이루어졌다. 비침습적 뇌기능 영상(혹은 신경영상) 기법들은 생체 내 뇌기능이 어떻게 이루어지는지를 규명하는 데 큰 역할을 하고 있다. 하지만 현재 가장 널리 사용되고 있는 비침습적 뇌기능 영상들인 뇌전도(EEG)와 뇌자도(MEG), 그리고 기능적 자기공명영상(fMRI) 등은 시간 및 공간해상도 측면에서 뚜렷한 장단점들을 가지고 있어 생체 내 뇌 연구에 중요한 한계로 작용하고 있다. 예를 들어, EEG와 MEG는 높은 시간해상도(~밀리초)에도 불구하고 낮은 공간해상도(~센티미터)를 제공하고, fMRI는 높은 공간해상도(~밀리미터)에도 불구하고 낮은 시간해상도(~초)와 혈류 기반의 간접적인 신경활동 정보만을 제공한다. 박장연 교수 연구팀에서는 신경활동전위 변화시간에 버금가는 수 밀리 초의 시간해상도를 가지는 자기공명영상을 구현할 경우 직접적인 신경활동의 측정 및 영상화가 가능할 것이라 예상하였고, 영상 데이터를 쪼개어 얻는 방법을 이용해 밀리 초의 초고시간해상도를 가진 자기공명영상을 구현하였다. 연구팀은 이를 이용해 높은 시공간해상도로 신경활동을 직접적으로 영상화함과 동시에, 뇌 신경망에서의 신경활동이 전달되는 과정 또한 영상화하였다. 또한 이러한 직접적 신경활동영상의 새로운 신호 기전에 대해서도 중요한 가설을 제안하였다. 연구팀은 9.4T 동물용 MRI 장비에서 살아있는 마우스의 뇌를 이용해 개발한 초고속 뇌 신경활동 영상기술을 검증하였다. 마우스 수염 부위에 주기적인 전기 자극을 가하면서 시상(thalamus)과 일차 체성감각피질(primary somatosensory cortex, S1)을 포함하는, 0.22 밀리미터의 공간해상도와 5 밀리 초의 시간해상도를 가지는 신경활동의 시간열(time series) 영상을 획득하여 20-25 밀리 초에서 S1에서의 신경활동 반응을 확인하였다. 이와 더불어 S1에서의 신경활동 반응 전에 10-15 밀리 초 사이에서 나타나는 시상에서의 신경활동 반응 또한 확인하였고, 이를 통해 시상을 거쳐 S1에 이르는 시상-피질 신경전달경로 상에서 시간에 따른 신경전달이 어떻게 이루어지는 지를 영상화하였다. 또한 이러한 초고속 신경활동 영상의 새로운 신호 기전으로 신경활동 시 발생하는 세포막변위의 변화에 따른 T2 이완화 시간(relaxation time)의 변화를 제시하였다. 연구팀이 제안한 높은 시간 및 공간해상도를 가진 생체 내 초고속 뇌 신경활동 영상기술은 수 밀리 초의 초시간해상도로 생체 내 뇌 신경활동을 영상화함으로써, 신경활동의 직접적인 영상화와 함께 뇌 신경망에서 신경활동 신호의 전달이 어떻게 이루어지는지를 보여줄 수 있는 차세대 뇌기능 영상기법이라고 말할 수 있다. 이러한 차세대 뇌기능 영상기법을 통해 다양한 인지과정에서 뇌 기능이 실제로 어떻게 이루어지고 있는지를 반영하고 표상할 수 있는 실제에 가까운 다이내믹한 뇌 신경망 모델이 구현이 가능할 수 있을 것이며, 임상적인 측면에서는 퇴행성 뇌질환에서의 인지 손상이나 정신질환에 있어서 객관적이고 정량적인 평가를 가능하게 함으로써 현대 의학의 추세인 개인별 정밀 진단에 크게 기여할 수 있으리라 기대한다. 박장연 교수는 “본 연구는 뇌기능 영상 분야의 오랜 숙원이었던 높은 시간 및 공간해상도를 동시에 가진, 생체 내 뇌 신경활동 영상을 구현했다는 점에서 매우 큰 의미가 있다”며 “특히 초고시간해상도로 뇌 신경망에서 신경활동의 활성화 및 전달과정을 영상화할 수 있다는 것은 뇌 신경망에서 인지 과정에 따른 정보의 흐름 즉 생각의 흐름을 볼 수 있다는 것을 의미하며, 이를 통해 뇌 기능의 위계적인 연결 구조를 규명함으로써 ‘생각하는 뇌’에 대한 실질적으로 깊이 있는 이해를 가능하게 할 수 있을 것”이라고 말했다. 덧붙여 “인간에게도 적용 가능하다는 것이 검증되면 뇌 과학 분야에 ‘Game Changer’ 가 될 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다. 이 연구 성과는 2022년 10월 14일 국제학술지 ‘Science’저널 (IF: 47.728) 에 Research Article로 게재되었으며, 주목할 만한 논문에 대해 실리는 논평 기사인 Perspectives와 함께 실렸다. 또한 논문 게재와 함께 Nature news에서도 논문에 대한 기사를 다루었으며, The Scientist(영국)와 STAT news (미국)에서도 논문에 대한 기사를 실었다. ※ 논문제목: “In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporo-spatial resolution” ※ Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4340
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- 작성일 2022-10-18
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- 박천권 교수 , 효과적인 종양 치료 및 재발 억제 기술 개발
- 박천권 교수 연구팀은 국제 저명 학술지인 Biomaterials (IF : 15.3) 에 'Image-guided in situ cancer vaccination with combination of multi-functional nano-adjuvant and an irreversible electroporation technique' 라는 제목의 논문을 게재했다. 면역치료는 우리몸의 면역세포를 활성화해 종양과 싸울 수 있게 해주는 신개념 치료법이다. 최근 면역세포의 활성화를 위해 다양한 약물을 면역세포로 전달하는 기술이 연구가 되고 있다. 본 연구에서는 세포 내부에 쉽게 들어갈 수 있고, MRI/CT로 영상화가 가능한 나노입자를 이용하여 면역활성물질 (CpG)을 세포내로 전달할 수 있는 기술을 개발하였다. 이러한 나노입자를 비가역적 전기천공법 (Irreversible electroporation; IRE)과 병용으로 처리했을 때, 대장암 및 유방암을 효과적으로 치료할 수 있음을 보였다. 생체재료/나노공학/종양치료학 기술이 접목된 이러한 기술을 더욱 발전시켜 다양한 임상적으로 활용 가능한 종양치료법으로 개발해 나갈 예정이다. 이 논문에는 한준혁 학생이 제1저자로, 박우람, 박천권 교수가 교신저자로 참여했다. 논문에 관한 자세한 내용은 링크를 통해 확인할 수 있다. 관련기사 : http://www.lecturernews.com/news/articleView.html?idxno=106458
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- 작성일 2022-10-13
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- 우충완 교수 연구실, Science Advances 논문 게재
- 우충완 교수 연구팀(Cocoan lab) 은 국제 저명 학술지인 Science Advances (IF : 14.136) 에 'When self comes to a wandering mind : Brain representations and dynamics of self-generated concepts in spontaneous thought' 라는 제목의 논문을 게재했다. 이 논문에는 김별 학생이 제1저자로, 우충완 교수가 교신저자로 참여했다. 논문에 관한 자세한 내용은 링크를 통해 확인할 수 있다.
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- 작성일 2022-10-13
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- 박재석 교수 연구실, Medical Image Analysis 논문 게재
- 박재석 교수 연구실(MISL lab)은 국제 저명학술지인 Medical Image Analysis (IF = 13.828)에 ‘Generalized self-calibrating simultaneous multi-slice MR image reconstruction from 3D Fourier encoding perspective’ 라는 제목의 연구논문을 게재했다. 다중대역 MRI에서 가변밀도 샘플링 및 3D Fourier 신호 모델 개발을 통해, 레퍼런스 신호 샘플을 얻기 위한 부가적인 영상 획득 없이 저해상도 레퍼런스 신호 샘플을 영상 신호와 동시에 획득하고 조정 및 복원에도 이용함으로써 획득 데이터에 중첩되어 있는 다중 밴드의 신호를 각 단층 신호로 정확하게 분리 복원할 수 있음을 증명했다. 이를 통해 기존의 영상 시간을 줄일 수 있어서 향후 임상적 적용도 기대된다. 이 논문에는 임은지 학생이 제1저자로, 박재석 교수가 교신저자로 참여했다. 논문에 관한 자세한 내용은 링크를 통해 확인할 수 있다.
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- 작성일 2022-10-13
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