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뇌파 생성 신경회로 찾았다

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뇌파 생성 신경회로 찾았다

2018.11.15 13:57
뇌 신경세포의 모습. 게티이미지뱅크 제공.
뇌 신경세포의 모습. 게티이미지뱅크 제공.

사람의 두뇌에서는 ‘뇌파’가 발생한다. 뇌파를 다양한 분야에 이용하려는 연구가 다수 진행되고 있지만 ‘어떤 과정을 거쳐 뇌파가 생겨나는가’에 대한 근본적인 질문에 답을 할 수 있는 연구는 찾아보기 어려웠다.

 

KAIST 바이오및뇌공학과 조광현 교수팀이 뇌파의 생성 및 변조를 담당하는 핵심 신경회로를 규명하는 데 성공했다고 14일 밝혔다. 뇌의 근본적인 동작원리를 밝히는데 도움이 돼 향후 자폐나 정신질환, 알츠하이머 등 여러 뇌질환 환자의 치료방법 개발에 보탬이 될 것으로 기대된다.

 

뇌의 기능은 신경세포(뉴런) 사이의 복잡한 상호작용을 통해 이뤄진다. 뇌파는 많은 뉴런이 동시다발적으로 신호를 주고받으며 생겨나며, 뇌의 활동 상태를 측정할 수 있는 가장 중요한 지표다. 뇌파를 통해 뇌의 상태가 정상인지, 어떤 뇌질환에 걸려있는지 알아볼 수 있다. 사람의 뇌파를 분석해 생각만 하면 움직이는 인체 이식형 로봇다리 등을 제작하려는 노력도 있다. 그러나 막상 뇌파가 뇌의 어떤 구조에 의해 생겨나는지, 뇌질환 환자들의 뇌파는 왜 비정상적으로 바뀌는지 그 원인은 잘 알지 못하고 있었다.

 

이 해답을 얻기 위해 조 교수팀은 정수리 부분에 위치한 뇌의 ‘감각피질(sensory cortex)’에 우선 주목했다. 감각피질은 외부 감각 정보를 처리하고 통합, 조절하는 핵심 영역이라 여러 주파수 대역의 뇌파를 관찰할 수 있다.

 

연구진은 실험용 생쥐의 두뇌를 모델로 감각피질 내 뉴런의 종류, 감각피질을 구성하는 뉴런의 연결방법 등을 수학적 기법으로 시뮬레이션한 다음, 감각피질 내 뉴런의 구성과 연결방법에 따라 뇌파가 어떻게 생겨나고 변조되는지 그 과정을 분석했다.

 

이 결과 연구팀은 자극에 반응하는 ‘흥분성 뉴런’과 주체적 사고에 필요한 ‘억제성 뉴런’, 이 두 종류의 뉴런이 뒤섞여 만드는 ‘중첩구조’라는 뇌신경구조가 뇌파의 생성과 변조에 가장 큰 영향을 미친다는 사실을 처음으로 규명했다. 뇌파 변조에 영향을 미치는 수많은 요인 중, 가장 큰 영향을 미치는 신경회로를 처음으로 찾아낸 것이다.

 

연구진은 이번 연구성과를 활용하면 전통적 생물학 실험을 통해 파악이 어려웠던 뉴런들 간의 다양한 상호작용을 이해하고, 신경회로의 복잡한 설계원리를 파악하는데도 도움이 될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 뇌질환 환자 뇌파 활동을 신경네트워크 차원에서 분석해 진단과 치료에 적용할 수 있는 것은 물론, 고성능 인공지능 기술 개발로도 이어질 것으로 보고 있다.

 

조 교수는 “수많은 작은 연구결과를 집대성해 새로운 학문적 원리를 정의하는 ‘시스템생물학’ 기법을 동원한 것이 이번 연구의 큰 도움이 됐다”면서 “뉴런간의 복잡한 연결성에 숨겨진 설계원리를 찾아낸다면 뇌의 동작원리를 파악할 수 있는 새로운 가능성이 열릴 것”이라고 말했다. 

 

이번 연구는 국제 학술지 ‘셀 리포트(Cell Reports)’ 11월 6일자 온라인 판에 게재됐다.

 

뇌파의 생성 및 변조를 담당하는 핵심 신경회로. KAIST 제공.
뇌파의 생성 및 변조를 담당하는 핵심 신경회로. KAIST 제공.

 

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