인간 뇌, 분산과 중첩이 동시에 존재하는 특이구조

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조광현 KAIST 바이오및뇌공학과 교수 연구팀은 인간 뇌의 제어영역들이 분산된 동시에 서로 중첩돼 상호작용을 한다는 연구결과를 10일 발표했다. KAIST 제공

지식과 정보를 처리하는 인간 뇌의 제어구조가 분산된 동시에 서로 중첩된 특이한 구조를 가진다는 사실이 처음 밝혀졌다. 이번 연구결과는 그동안 베일에 쌓여 있던 뇌 동작 원리의 이해를 높여 뇌 질환 연구에 기여할 것으로 기대를 모은다.

조광현 KAIST 바이오및뇌공학과 교수 연구팀은 인간 뇌의 제어영역들이 분산된 동시에 서로 중첩돼 상호작용을 한다는 연구결과를 10일 발표했다.

뇌의 다양한 인지기능은 뇌 영역들 사이의 복잡한 연결을 통한 영역 간 상호작용에서 비롯된다. 이에 따라 뇌의 연결성에 대한 원리를 파악해 뇌의 동작 원리를 알아내려는 연구들이 한창이다. 뇌 동작 원리를 도식화하는 커넥톰(Connectome) 연구가 활발히 이뤄지고 있지만 뇌의 복잡한 연결성에 내재된 뇌의 동작 원리에 대한 이해는 부족한 상황이다.

연구팀은 뇌의 동작 원리를 좀 더 깊게 이해하기 위해 ‘미국국립보건원(NIH) 휴먼 커넥톰 프로젝트'에서 제공하는 정상인의 뇌 영상 이미지 데이터를 활용, 뇌 영역 간 네트워크를 구축했다. 그런 다음 '최소지배집합' 개념을 활용해 뇌 영역 간 복잡한 연결 네트워크의 제어구조를 분석했다. 최소지배집합이란 뇌의 각 영역이 서로 다른 영역에 직접적 영향을 줘 기능을 제어할 수 있다고 가정할 때, 네트워크를 구성하는 모든 노드를 제어하는 데 필요한 최소한의 노드 집합을 말한다.

연구팀은 최소지배집합을 기반으로 ‘제어영역의 분포’와 ‘제어영역의 중첩’이라는 두 가지 지표를 정의한 뒤 이를 기준으로 총 네 종류의 제어구조를 정의했다. 그런 다음 브레인 네트워크를 비롯해 도로망, 통신망, 소셜 네트워크 등 실존하는 다양한 복잡계 네트워크가 어떤 제어구조를 갖는지 분석했다.

분석 결과 연구팀은 뇌는 다른 대부분 네트워크와는 달리 제어영역이 분산된 동시에 서로 중첩된 특이한 구조로 이뤄짐을 확인했다. 뇌의 각 영역이 분리되어 있지만 서로 연결되어 동시에 기능을 활성화한다는 것이다. 이를 통해 뇌는 높은 강건성을 유지하며 여러 인지기능을 효율적으로 수행하기 위한 영역들의 상호 활성화를 다양화했다.

조 교수는 “지금껏 뇌의 제어구조가 밝혀진 바가 없었다”라며 “복잡한 연결성에 숨겨진 뇌 구조의 진화적 설계원리를 시스템생물학 연구를 통해 찾아냄으로써 뇌의 동작 원리를 파악할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘아이사이언스’ 지난달 29일에 발표됐다.