Interviewee: 김형 교수님(성균융합원 글로벌바이오메디컬공학과, 뇌인지회로 연구실)

Q. 뇌 인지회로 연구실에 대한 소개 부탁드립니다.

뇌를 그저 복잡하고 무질서한 유기체로 볼 수 있겠지만, 이 복잡해 보이는 뇌는 매우 정교한 회로들로 구성되어 있고 이 회로들을 통해서 특정 기능들을 하고 있습니다. 저희 연구실에서는 이 뇌 회로들을 영장류를 이용해 연구하고 있습니다. 그중에서도 특히 학습과 기억에 관련된 회로를 뇌에서 동정하고 조절하여 그 기능을 밝히는 연구를 하고 있습니다. 저희 연구는 뇌 회로에 대한 이해뿐만 아니라 환자에게도 사용될 기술 개발에도 응용될 수 있습니다. 이러한 뇌 연구를 위해서 여러분야의 연구자들과 함께하는 융합연구가 중요한데, 저희 연구실은 뇌과학이미징센터에 소속 되어 있어 자기공명영상과 같은 최첨단 장비들을 이용해 더 정밀한 연구를 하고 있습니다.

Q. 뇌인지회로 연구실에서는 평소 어떤 주제의 연구가 이루어지나요?

많은 뇌인지회로가 있겠지만, 그중에서도 저희 연구실은 학습과 기억에 관련된 뇌회로를 연구하고 있습니다. 하지만, 학습과 기억에 관련된 회로들도 매우 많습니다. 저희는 이 중에서도 기저핵이라고 불리는 뇌 영역이 어떻게 암묵기억을 저장하는지에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 기존의 기저핵은 운동을 조절하고, 이 부분이 고장나면 헌팅톤병(무도병)이나 파킨슨병과 같은 뇌질환이 생긴다는 것이 잘 알려져 있습니다. 하지만, 이 기저핵은 단순히 운동기능을 조절하는 것 뿐만 아니라, 물체가치를 배우고 기억해서 행동으로 표출하는 기능을 한다는 것도 최근 연구들을 통해서 알려지게 되었습니다. 특히 저희 연구실에서는 이 기저핵과 연결된 회로들이 어떻게 암묵기억을 저장하고 이 기억을 이용해서 습관행동을 생성하는지에 대해서 연구하고 있습니다.

Q. 학습과 기억에 대한 뇌 회로와 기억메커니즘을 영장류에서 인위적으로 조절하여 행동을 변화시키는 연구도 수행하고 계시다고 들었습니다. 뇌 회로와 기억 메커니즘을 인간이 조절할 수 있다는 점이 매우 신기합니다. 어떤 방식으로 변화를 주시는지 궁금합니다.

Deep Brain Stimulation (DBS)이라는 방법을 뇌과학에 관심이 있으신 분은 한번쯤 들어보셨을 텐데요. 파킨슨환자나 운동장애가 매우 심한 환자의 뇌에 직접 전극을 꽂아서 자극을 줌으로써 운동기능을 정상화시키는 것으로 지금도 환자들에게 널리 사용되고 있습니다. 이와 유사한 방법으로 영장류의 특정 뇌회로에 미세전극을 이식하여 특정 상황에서만 전기자극을 줌으로써 행동을 조절할 수 있습니다. 기능 억제를 위해서는 여러가지 약물을 특정 뇌 회로에 미세 주입할 수 있고 이를 통해서 한 뇌 영역이 기능하지 않았을 때 어떤 행동이 변하는지 알 수 있죠. 더 나아가 최근에는 유전적인 방법을 이용해서 특정 신경세포 및 특정 뇌 회로의 신경세포들만 억제 혹은 활성화하는 기술을 이용해서 특정 행동만을 원하는 시간에 변화시킬 수도 있습니다. 이러한 뇌 회로 조절 연구는 단순히 뇌 기능연구에 사용되는 것뿐만 아니라 어떤 영장류 뇌 영역을 자극 해야 하는지에 대한 정보를 얻어서 환자에게 적용할 직접적인 근거를 제공하는 매우 중요한 연구입니다.

Q. 영장류의 행동을 조절하는 뇌 회로와 그 메커니즘을 행동생물학과 전기생리학을 이용하여 밝히고 있다고 하셨는데, 전기생리학적 측면에서는 행동 조절 메커니즘이 어떻게 작용되고 있나요? (전기생리학에 대해 간단히 언급 부탁드립니다.)

전기생리학은 신경세포의 최종 반응을 측정하는 뇌 회로의 기능을 이해하는 가장 간단하고도 가장 명료한 방법입니다. 전기생리학을 수행하기 위해서는 환자들에게 뇌심부자극술(DBS)을 하는 것과 같이 뇌에 전극을 심은 후에 자극을 주는 것과는 반대로 신경 세포의 활성을 측정하면 됩니다. 영장류가 특정 행동을 수행할 때 뇌 회로를 구성하는 신경세포들의 활성이 어떻게 변화하는지 알아보는 상관관계조사 방법을 이용하여 그 기능을 유추할 수 있습니다. 예를 들어, 습관적으로 특정한 물체를 보는 행동을 할 때만 활성화되는 신경세포를 찾는다면 그 특정 신경세포가 특정 습관에만 관여할 거로 생각할 수 있습니다. 더 나아가 그 신경세포와 연결된 다른 부위의 신경세포들이 어떻게 반응하는지 전기생리학적 방법으로 알 수 있으며 이렇게 하나하나 연결된 신경회로들을 찾아서 특정 습관회로들의 구성과 기능을 알아낼 수 있습니다. 저희 연구실에서는 습관행동을 하는 뇌 회로가 주로 머리의 뒤통수쪽에 존재한다는 사실을 전기생리학적으로 밝히고 이 회로들에 대한 자세한 기전을 밝히고 있습니다.

Q. 앞서 언급해주신 연구 주제들이 다른 학문과 분야에는 어떻게 연계될 수 있는지 궁금합니다.

신경생물학 자체가 생물학, 컴퓨터, 심리학, 철학을 포함한 여러 학문들을 종합하고 있는 것이 사실입니다. 예를 들어, 저희 연구실에서는 생물체가 생존에 필요한 습관을 어떻게 조절하는지에 대한 뇌 회로를 생물학적으로 연구하고 있으며, 이를 위해서 여러 통계적인 방법을 사용하기도 합니다.  저희가 밝힌 뇌 회로에 대한 법칙들은 컴퓨터공학에도 응용될 수 있습니다. 여러분들이 잘 아시는 ‘알파고’도 그 논문에서 보듯이 영장류 연구에서 밝혀진 뇌의 작동법칙을 사용했다고 설명되어있죠. 더 나아가 이렇게 밝혀진 사실은 사람에 대해서 이해하려는 심리학과 철학에도 응용할 수 있으며 뇌 질환 환자를 치료하는 기본적인 법칙으로 사용될 수 있습니다.

Q. 앞으로 진행해보고 싶은 후속 연구에는 어떤 것이 있나요?

앞으로는 무의식적인 행동들에 대해서 더 자세한 연구를 하고 싶습니다. 모든 동물은 오감에 반응하여 무의식적인 습관행동을 하는데 이 습관행동들이 뇌 회로에서 어떻게 처리 되고 상호작용 하는지 연구하려고 합니다. 정확한 회로들을 발견한 후에는 이 회로들을 인위적으로 조작하여 습관행동을 변화시키는 연구를 진행하려고 합니다.

Q. 뇌인지회로 연구실의 연구진들과 교수님의 최종 목표가 있다면?

영장류 인지의 뇌회로 연구를 통해서 인간에 대한 본질을 이해하는데 한발이라도 더 가까이 가고자 하는 목표가 있습니다. 저희가 발견한 지식들을 읽는 사람들의 이해를 돕고 패러다임을 바꿀 수 있는 연구를 하고 싶은 것이 저희들의 큰 목표라고 생각합니다. 더 나아가 저희가 발견한 지식이 사람을 더 사람답게 살 수 있도록 도움을 준다면 이 또한 매우 중요한 최종 목표라고 생각합니다.

Q. 뇌인지회로 연구실에서 함께 하는 연구진들에게 마지막으로 한마디 부탁드립니다.

뇌를 이해하는 것은 쉽지 않은 과정입니다. 하지만, 목표와 흥미를 갖고 재미있게 연구를 진행해주었으면 합니다. 이 연구를 통해 자기 자신에 대해서 더욱 깊이 이해하고 나아가 논문을 통해 다른 연구자와 사람들에게도 뇌에 대해서 밝혀낸 사실들을 같이 나누고 토론하길 바랍니다.