KAIST 학부생이 쓴 뇌신경과학 논문 '국제학술지' 표지논문 선정 화제

입력 2020-08-21 10:32
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▲(왼쪽부터)백세범교수, 김진우 학사과정, 송민 박사과정 (카이스트 제공)
▲(왼쪽부터)백세범교수, 김진우 학사과정, 송민 박사과정 (카이스트 제공)
▲망막 신경 파동이시각 피질의 기능성 회로 구조를 형성하는 발달 모델 (카이스트 제공)
▲망막 신경 파동이시각 피질의 기능성 회로 구조를 형성하는 발달 모델 (카이스트 제공)

KAIST(한국과학기술원) 바이오및뇌공학과 백세범 교수 연구팀에 소속된 대학생(학부과정)의 연구논문이 뇌신경과학 분야 저명 국제학술지에 게재됐음은 물론 해당 저널의 표지 논문으로 선정돼 화제가 되고 있다.

KAIST는 바이오및뇌공학과 4학년에 재학 중인 김진우 학생(22세)이 백세범 교수 지도로 수행한 학부생 개별연구 프로젝트가 국제학술지 표지 논문으로 선정됐다고 21일 밝혔다.

이 논문은 두뇌의 시각 피질에서 관측되는 주요 신경망 연결 구조 중 하나인 '장거리 수평 연결'이 두뇌 발생 초기에 형성되는 원리를 규명했다. 이 논문은 뇌신경과학 분야 '저널 오브 뉴로사이언스' 표지 논문으로 실렸다.

시각 피질(Visual Cortex)은 두뇌에서 시각 정보처리를 담당하는 영역이다. 망막 신경망 영역을 통해 입력받은 외부 공간에 대한 시각 정보를 처리하여 인지 과정을 구현하는 기능성 신경망 구조로 이뤄졌다.

연구팀은 이번 연구를 통해 어린 포유류 동물이 눈을 뜨기 전, 시각적인 학습이 전혀 이뤄지지 않은 상태, 즉 두뇌 발생 초기 상태에서 망막 내 신경세포들의 자발적인 활동으로부터 발생하는 '망막 파동'이 두뇌 시각 피질의 신경세포들을 특정한 공간적 패턴으로 자극하고, 이를 통해 시각 정보 처리에서 중요한 역할을 담당하는 '장거리 수평 연결'을 형성한다는 사실을 밝혀냈다.

▲저널오브뉴로사이언스 표지 (카이스트 제공)
▲저널오브뉴로사이언스 표지 (카이스트 제공)

김진우 학생과 송민 박사과정 학생이 공동 제1저자로 참여했다. 백 교수 연구팀은 망막 내 신경망 구조를 모델화하고, 이를 통해 망막 파동의 패턴이 시각 피질 내 구조 형성에 미치는 영향을 시뮬레이션 했다. 그 결과 망막의 신경절에서 자발적으로 발생하는 망막 파동이 시각 피질로 전달되는 과정에서 형성되는 선택적 활동 패턴이 시각 피질 내의 장거리 연결 구조를 형성함을 밝혀냈고, 이 모델을 기반으로 동물실험에서 관측되는 초기 시각 피질의 특징적인 신경 활동 패턴을 재현하는 데 성공했다.

이 연구를 통해 연구팀은 동물실험에서 관측된 시각 피질의 장거리 수평 연결이 형성되는 과정과 주요 인자들을 정확히 확인했다. 이 결과를 기반으로 연구팀은 뇌 피질 내에서의 활동 패턴이 피질 구조를 결정한다는 기존 모델의 오류를 지적하는 한편, 망막에서 전달된 활동 패턴이 시각 피질의 구조를 형성하는 데 결정적인 영향을 끼친다는 새로운 발생 모델을 제시했다.

백 교수는 "외부의 정보를 학습할 수 없는 감각 신경망의 발생 초기 단계에서, 감각기관 말단의 신경 활동 패턴이 뇌 신경망의 주요 구조 형성에 결정적으로 기여한다는 새로운 뇌 구조 발생 모델을 제시한 연구라는 점에서 의미가 크다"고 설명했다.

김진우 학생은 "뇌가 외부 세계에 대한 감각 정보를 처음으로 경험하기 이전에 어떻게 비 지도적으로 학습을 하는지에 대해, 알려진 실험 데이터에 기반한 명확한 이론적 설명을 제공한다는 점에서 흥미롭다"며 "이와 같은 방향의 연구가 향후 데이터 학습에 의존하지 않는 새로운 형태의 인공신경망 연구에도 큰 도움이 될 것으로 기대가 된다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업 및 원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

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