이미지 크게보기 그래픽 = 송재우 기자

■ 고려대 곽지현 교수팀, 억제성 신경회로망 작동 원리 발견

신경신호 시공간적 동기화 보니
파르브알부민, 전류 발생 낮을때
소마토스타틴은 높을때 나타나

뇌세포 정보전달 원활하지 않은
파킨슨병·간질 치료 진전 기대

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신경세포는 서로 소통할 때 주로 전기신호를 사용한다. 세포막을 경계로 나트륨·칼륨 이온의 농도가 달라지면서 마이너스-플러스 전위차를 발생시키고, 그 전류의 발생(흥분상태)이 이웃 세포로 쭉 전해지면서 정보를 처리한다. 이 신호를 활동전위(action potential)라고 부른다.

기존 연구에 따르면 신경신호의 복잡한 시공간적 패턴 내에 정보처리의 중추적인 신경암호가 담겨 있다고 알려졌는데, 이 암호를 해독하는 것은 뇌 과학의 최대 난제로 남아 있었다. 우리의 뇌는 정보를 처리할 때 신경세포의 발화 빈도(firing rate code)와 신경세포 간의 동기화 정도(synchrony code)를 기반으로 ‘신경암호(neural code)’를 생성한다. 발화는 신경세포의 흥분, 즉 활동전위라는 전류의 발생을 뜻한다. 그리고 동기화란 이 전류가 이웃 신경세포에 동일하게 전달되는 과정을 말한다. 얼마나 자주 전기가 흐르는가, 그리고 어디까지 전달되는가를 암호화해 정보를 주고받는 셈이다. 과학자들은 이 암호를 풀면 뇌세포 사이에 정보가 원활하게 전달되지 않아 발병하는 파킨슨병, 간질 등의 치료에 진전이 생길 것으로 기대한다. 하지만 뇌 신경회로의 복잡성과 실험적 접근방법의 한계로 인해 신경암호의 생성과 조절 기전을 밝히기 어려웠다.

고려대 뇌공학과 곽지현 교수팀은 뇌과학의 최대 난제 중 하나로 꼽히는 뇌에서의 감각(촉각)정보처리에 사용되는 신경암호 생성의 신경회로적 기전을 처음으로 규명해 이 문제를 해결하는 단서를 제공했다. 광유전학과 계산신경과학 등 융합과학 기법을 활용, 뇌 신경암호 생성과 관련해 억제성 신경회로망의 작동원리를 발견한 것이다. 연구성과는 융합과학 분야의 국제적 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 최근 게재됐다.

뇌 신경세포들은 전기적 신경신호(활동전위)를 발화함으로써 정보를 처리, 전달한다. 곽 교수팀은 쥐가 촉각을 이용해 주변 환경과 사물을 인지할 때 발생하는 신경신호를 촉각 신경계에서 측정하는 전기생리학실험 기법과 빛으로 특정 신경세포를 활성화 또는 비활성화하는 광유전학적 기법을 이용해 촉각정보처리 시 발생하는 신경암호의 신경회로적 기전을 연구했다. 특히 연구팀은 뇌 신경세포의 20%를 차지하는 억제성 신경세포 중에서 파르브알부민(Parvalbumin·PV)-발현 및 소마토스타틴(Somatostatin·SST)-발현 억제성 신경세포가 신경암호 생성을 제어한다는 점을 세계 최초로 밝혔다.

구체적으로 PV-발현 억제성 신경세포는 신경신호 발화빈도가 낮을 때, 그리고 SST-발현 억제성 신경세포는 신경신호 발화빈도가 높을 때 각각 신경신호를 시공간적으로 동기화함을 규명했다. 나아가 실험적으로 측정된 신경신호를 기반으로 자연 신경망을 모사하는 뇌의 수리적 모델링(계산신경과학) 기법을 통해 실험적으로 관찰 불가능한 신경암호 생성 시의 피드포워드(feedforward·순방향) 및 피드백(feedback·역방향) 기반 억제성 신경회로의 역할을 수리적으로 증명하는 데도 성공했다. 지금까지 뇌과학 연구에서 난제로 여겨졌던 신경암호 생성 원리를 광유전학 및 전기생리학적 실험연구 기법, 수리적 뇌모델링의 이론연구 기법과 융합시켜 규명한 세계 최초의 연구로 평가된다.

곽 교수는 “향후 뇌 정보 처리에 있어서 신경신호에 정보가 어떻게 담기고(encode), 추출되는지(decode)에 대한 뇌과학 난제를 해결하는 데 크게 기여할 것”이라며 “궁극적으로 뇌 신경신호를 기반으로 생각을 읽는 기술, 기억의 저장·이식 기술, 신경암호 제어를 통한 뇌에서의 정보처리 조절 기술개발로 이어질 뿐 아니라 고차원 인공지능(AI) 및 로봇 개발 등에도 응용돼 뇌과학의 발전과 뇌 융합 기술 발전에 도움이 되길 바란다”고 말했다.

이번 연구는 노벨상 연구비로 불리는 휴먼 프런티어 사이언스 프로그램(Human Frontier Science Program)의 신진 연구자 연구비와 한국연구재단의 미래 뇌융합 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

■ 용어설명

전기생리학(electrophysiology) : 세포의 전기적 활동을 연구하는 학문. 전기가 생체에 끼치는 작용과 생체에서 발생하는 전기현상을 연구대상으로 하는 생리학을 말한다. 신경 등 기관, 조직의 흥분 시 발생하는 활동전위는 가장 파악하기 쉬운 지표이므로 활동전위를 파악해 신경계 등의 기능을 연구하는 작업이 주로 진행된다.

광유전학(optogenetics) : 빛으로 생체조직의 세포들을 조절할 수 있는 생물학적 기술. 빛에 의해 개폐가 조절되는 이온 채널을 세포나 생물체에 발현시켜 세포 및 조직의 활성을 조절하거나 모니터한다.

계산신경과학(computational neuroscience) : 이론신경과학 또는 수학신경과학이라고도 한다. 뇌에 대한 수학적 모델, 이론적 분석, 추상화 등을 통해 발달신경과학, 신경해부학, 신경생리학, 인지과학에 걸친 신경계의 원리를 이해하려는 학문이다.

노성열 기자 nosr@munhwa.com