1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

본 연구는 집속초음파를 이용한 뇌혈관장벽 조절, 성체 해마 신경생성, 그리고 뇌 아연 신호를 연결한 융합 연구입니다. 뇌혈관장벽(blood-brain barrier, BBB)은 혈액 속 유해물질로부터 뇌를 보호하지만, 동시에 많은 치료제가 뇌 조직으로 전달되는 것을 제한합니다. 저강도 집속초음파(focused ultrasound, FUS)를 미세기포와 함께 적용하면 특정 뇌 부위의 혈관 투과성을 일시적이고 국소적으로 조절할 수 있어, 조직을 제거하지 않고 뇌 미세환경을 정밀하게 변화시키는 기술로 주목받고 있습니다.

최근 이 분야는 단순히 뇌혈관장벽을 개방하는 단계를 넘어, 안전하고 재현성 있는 음향조건을 확립하고 미세기포의 진동을 실시간으로 모니터링하며, 시술 후 뇌 조직에서 나타나는 생물학적 변화를 규명하는 방향으로 발전하고 있습니다. 알츠하이머병 환자를 대상으로 한 초기 임상연구에서는 안전성과 가역성, 치료제 전달 증진 가능성이 평가되고 있습니다. 다만 집속초음파가 장기적인 뇌 재생이나 인지기능 개선으로 직접 이어지는지는 앞으로 더 검증해야 할 과제입니다.

성체 해마 신경생성은 성숙한 뇌의 해마 치아이랑에서 신경전구세포가 증식하고 새로운 신경세포로 분화·생존하는 과정으로, 학습과 기억 및 손상 후 뇌 회복과 관련됩니다. 그러나 집속초음파로 뇌혈관장벽을 조절한 이후 어떤 분자적 요인이 이러한 신경생성 반응을 뒷받침하는지는 명확하지 않았습니다. 저희 연구팀은 그 연결고리로 아연(zinc)에 주목했습니다. 아연은 단순한 영양성 미량원소를 넘어 해마에서 신경영양인자, 수용체 및 이온통로의 기능을 조절하는 신호분자로 작용하며, ZnT3는 아연을 시냅스 소포 안에 저장하는 핵심 수송체입니다.

이번 연구에서는 미세기포와 저강도 집속초음파를 쥐와 생쥐의 해마에 적용한 후, 뇌혈관장벽 투과성, 아연 관련 신호 및 신경생성 반응을 분석했습니다. 그 결과 집속초음파를 조사한 해마에서 아연 형광신호와 ZnT3 발현이 증가했으며, 신경전구세포의 증식과 미성숙 신경세포 수뿐 아니라 장기간 생존한 신생 신경세포도 함께 증가했습니다. 반면 세포외 또는 유동성 아연을 포획하는 CaEDTA를 투여하면 이러한 반응이 현저히 감소했으며, 아연이 이미 결합된 ZnEDTA 대조군에서는 같은 억제효과가 나타나지 않았습니다. 또한 ZnT3 결손 생쥐에서는 야생형 생쥐에서 관찰된 신경생성 증가가 나타나지 않았습니다. 이러한 결과는 정상적인 아연 가용성과 ZnT3 관련 아연 생리가 집속초음파 연관 신경생성 반응이 충분히 나타나는 데 중요한 조건임을 보여줍니다.

연구과정에서 가장 기억에 남는 점은 하나의 결과만으로 결론을 내리지 않고, 서로 다른 방법으로 같은 질문을 반복해서 검증했던 과정입니다. CaEDTA의 비특이적인 영향을 배제하기 위해 ZnEDTA 대조군을 포함했고, 다시 ZnT3 결손 동물을 이용해 유전학적으로 확인했습니다. 집속초음파, 자기공명영상, 동물모델, 조직학, 아연 생물학 및 전사체 분석을 하나의 연구로 연결하는 과정은 쉽지 않았지만, 각각의 결과가 서로 보완되면서 연구의 신뢰성과 설득력을 높일 수 있었습니다. 무엇보다 서로 다른 전문성을 가진 연구자들이 하나의 생물학적 질문을 중심으로 협력한 것이 이번 성과를 가능하게 했습니다.

2. 본 연구의 한계점 및 추가적으로 검증 또는 해결해야 할 과제는?

이번 연구는 아연 가용성과 ZnT3 관련 아연 생리가 집속초음파 이후의 해마 신경생성 반응에 중요하다는 점을 보여주었지만, 변화한 아연의 정확한 기원과 이동경로까지 규명하지는 못했습니다. CaEDTA를 이용한 실험만으로는 시냅스에서 방출된 소포성 아연과 뇌혈관장벽 조절 이후 혈액으로부터 유입되었을 가능성이 있는 아연을 구분하기 어렵습니다. 또한 ZnT3 결손 생쥐에서는 태어날 때부터 소포성 아연이 결핍되어 있으므로, 발달 과정에서 발생한 보상성 변화가 결과에 영향을 미쳤을 가능성도 배제할 수 없습니다. 향후에는 정밀한 아연 이미징과 조건부 또는 세포 유형 특이적 ZnT3 조절 모델을 활용하여 아연 신호의 기원과 작동 시점을 규명할 필요가 있습니다.

이번 연구에서 BDNF, ZIP-3 및 Piezo1은 집속초음파와 아연 가용성에 반응하는 후보분자로 확인되었지만, 이들이 하나의 선형적인 신호전달 경로를 형성한다는 사실까지 입증한 것은 아닙니다. 특히 Piezo1은 단백질 발현 변화만 확인했기 때문에 실제 채널 활성, 세포 내 칼슘 유입 및 하위 신호전달을 직접 검증하는 기능적 연구가 필요합니다. 아울러 이러한 반응이 신경세포와 성상교세포를 비롯한 어떤 세포에서 주로 나타나는지도 세포 유형별로 구분해야 합니다.

향후에는 암수 동물과 노화모델뿐 아니라 알츠하이머병, 외상성 뇌손상 등 다양한 신경질환 모델에서 결과를 재현하고, 반복적인 집속초음파 적용의 장기 안전성과 적절한 음향조건을 평가해야 합니다. 단일세포 전사체 분석과 공간전사체 분석을 함께 활용한다면 신경전구세포, 신경세포, 신경교세포 및 혈관세포가 집속초음파에 어떻게 반응하는지를 더욱 정밀하게 밝힐 수 있을 것으로 생각합니다.

3. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

본 연구는 제가 한림대학교 의과대학 의과학연구소에서 연구교수로 재직하던 시기에 의과대학 생리학교실 서상원 교수님 연구실에서 시작되었습니다. 서상원 교수님 연구실은 뇌에서 아연의 생리적·병리적 기능을 비롯해 신경손상, 신경세포 사멸 및 성체 해마 신경생성을 오랫동안 연구해 온 곳입니다. 저 역시 이곳에서 뇌 손상과 신경생성 과정에서 아연이 어떠한 역할을 하는지를 연구하며 연구자로서의 기반을 마련했습니다.

무엇보다 서상원 교수님은 저의 지도교수님이자 평생 잊을 수 없는 은사님입니다. 교수님께서는 제 생각을 정해진 틀에 가두기보다 자유롭게 질문하고 새로운 연구를 시도할 수 있도록 항상 믿어 주시고 아낌없이 지원해 주셨습니다. 또한 좋은 연구자가 되는 방법뿐 아니라 연구에 몰입하면서도 삶을 즐기고 주변 사람들과 함께 성장하는 태도를 가르쳐 주셨습니다. 교수님을 만나지 못했다면 지금의 연구자이자 교수로서의 저도 존재하기 어려웠을 것이라고 생각합니다.

이번 연구는 한 기관의 역량만으로 완성하기 어려운 다기관·다학제 융합연구였습니다. 연세대학교 의과대학 신경외과학교실 및 뇌연구소 장원석 교수님 연구팀의 집속초음파 표적화, 뇌혈관장벽 조절 및 영상기술에 한림대학교 연구팀의 아연 생물학, 신경손상 및 성체 신경생성 연구 역량이 결합되었고, 케이메디허브 첨단의료기기개발지원센터의 초음파 분야 전문성도 더해졌습니다.

공동 제1저자인 신재우 박사는 저와 같은 체육학과를 졸업한 대학 후배로, 이후 의과대학에서 함께 공부하고 연구해 온 친구이자 동료입니다. 신재우 박사가 장원석 교수님 연구실에서 박사과정을 수행하던 시기에 서로의 연구 분야를 연결할 기회가 생겼고, 그것이 이번 공동연구의 출발점이 되었습니다. 연구가 진행되는 동안 장원석 교수님께서도 새로운 연구 주제를 적극적으로 받아들여 주시고 연구 환경과 기술적 지원을 아끼지 않으셨기에 좋은 결실을 얻을 수 있었습니다.

저는 현재 한림대학교 체육학과 조교수이자 체육과학연구소 소장으로 재직하고 있습니다. 현재 제가 이끄는 연구실에서는 신경손상과 성체 신경생성, 그리고 운동이 뇌 건강과 인지기능에 미치는 영향을 중점적으로 연구하고 있습니다. 운동생리학과 기초 신경과학을 연결하여 운동이 근육과 전신 대사환경을 어떻게 변화시키고, 이러한 변화가 뇌의 아연 항상성, 신경생성 및 손상 후 회복에 어떠한 영향을 미치는지를 규명하고자 합니다.

돌이켜보면 한 연구자의 성장은 혼자만의 노력으로 이루어지는 것이 아니라, 중요한 순간마다 가능성을 믿어 주고 길을 열어 준 사람들의 지원과 인연이 축적되어 만들어지는 것 같습니다. 서상원 교수님과 장원석 교수님, 그리고 오랜 시간 친구이자 동료로 함께해 온 신재우 박사와 같은 귀인들을 만나지 못했다면 이번 연구성과도 이루기 어려웠을 것입니다. 그런 의미에서 이번 논문은 하나의 연구성과인 동시에, 제가 좋은 스승과 동료들을 만나 함께 성장해 온 시간에 대한 감사의 기록이라고 생각합니다.

4. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

저는 학부에서 체육학을 전공한 후 의과대학 생리학 분야에서 석·박사과정을 거치며 신경과학 연구를 수행했고, 현재는 다시 체육학과에서 운동과 뇌의 관계를 연구하고 있습니다. 처음에는 체육학, 의학, 신경과학이 서로 다른 분야처럼 보였지만, 연구를 계속할수록 이들 학문은 모두 "인간의 뇌와 신체가 손상에 어떻게 반응하고, 어떠한 조건에서 회복할 수 있는가"라는 공통된 질문을 다루고 있음을 깨닫게 되었습니다. 결국 모두 인간이 건강한 삶을 영위하도록 돕기 위해 존재하는 학문이라는 점에서 연결되어 있습니다. 서로 다른 학문의 언어와 연구방법을 이해하고, 그 경계를 넘어 새로운 질문을 만들어 갈 수 있다는 점에서 큰 자부심을 느낍니다.

연구를 하면서 가장 크게 느끼는 것은 생명현상이 단순한 흑백논리로 설명되지 않는다는 점입니다. 예를 들어 아연은 과도하게 유리되면 신경손상을 악화시킬 수 있지만, 적절한 항상성이 유지되지 않으면 정상적인 신경가소성과 신경생성 역시 충분히 일어나기 어렵습니다. 같은 분자라도 농도와 위치, 작용 시점 및 질환 상태에 따라 전혀 다른 역할을 할 수 있습니다. 이러한 생명현상의 양면성과 복잡성을 하나씩 구분하고 설명해 나가는 과정은 어렵지만, 동시에 연구의 가장 흥미로운 부분이라고 생각합니다.

또한 하나의 흥미로운 결과가 나왔을 때보다 서로 독립적인 여러 접근법이 같은 방향을 가리킬 때 더 큰 보람을 느낍니다. 이번 연구에서도 조직학적 관찰, 아연 킬레이션, ZnT3 결손 동물, 단백질 분석 및 탐색적 전사체 분석이 서로 다른 수준에서 하나의 해석을 뒷받침했습니다. 이러한 교차 검증에는 많은 시간과 노력이 필요하지만, 여러 증거가 하나의 결론으로 수렴하는 순간 비로소 연구가 단순한 설명을 넘어 신뢰할 수 있는 근거가 된다고 생각합니다.

개인적인 연구성과 못지않게 큰 보람을 느끼는 순간은 체육학을 공부하는 학생들이 자신의 전공을 보다 넓은 시각으로 바라보게 될 때입니다. 운동과학은 단순히 운동 수행능력을 높이거나 체력을 측정하는 데 머무르는 학문이 아니라, 운동이 세포와 조직, 뇌와 전신 대사환경을 어떻게 변화시키는지를 밝히고 질병 예방과 재활, 건강수명 연장에 기여할 수 있는 학문입니다. 체육학을 전공한 연구자가 신경과학과 재생의학의 질문을 제시하고, 의학과 공학 분야의 연구자들과 협력하여 새로운 성과를 만들어 낼 수 있다는 사실 자체가 학생들에게 하나의 가능성을 보여줄 수 있다고 생각합니다.

제가 걸어온 학문적 경로가 학생들에게 전공의 경계를 두려워하지 않고, 자신이 가진 강점을 다른 학문과 연결해 새로운 길을 개척할 수 있다는 용기를 줄 수 있다면 그것은 논문 한 편을 게재하는 것 이상의 의미가 있습니다. 학생들이 운동과학을 통해 뇌질환과 노화, 인지기능, 재활과 같은 중요한 사회적 문제에 도전하고 자신만의 연구 질문을 만들어 가도록 돕는 것이 교수이자 연구자로서 느끼는 가장 큰 보람이자 책임이라고 생각합니다.

5. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

먼저 자신의 학부 전공이나 현재 보유한 기술만으로 진로의 범위를 제한하지 않았으면 합니다. 저 역시 체육학을 전공한 후 의과대학에서 생리학과 신경과학을 공부했고, 현재는 운동생리학과 기초 신경과학을 연결하는 연구를 수행하고 있습니다. 오늘날 뇌과학은 생물학, 의학, 물리학, 공학, 영상과학, 통계학 및 컴퓨터과학이 결합된 대표적인 융합학문입니다. 연구자의 출발점은 중요하지만, 그것이 앞으로의 학문적 가능성과 경계를 결정하는 것은 아닙니다.

다만 융합연구를 한다는 것이 여러 분야의 기술을 피상적으로 익히는 것을 의미하지는 않습니다. 신경해부학, 생리학, 세포생물학 및 통계학과 같은 기초를 충실히 공부하는 동시에, 조직학, 동물모델, 이미징, 전기생리학 또는 생물정보학 가운데 적어도 한 분야에서는 다른 연구자에게 신뢰를 줄 수 있을 정도의 전문성을 갖추는 것이 중요합니다. 다양한 분야를 폭넓게 이해하되, 자신의 중심이 되는 한 분야에서는 충분한 깊이를 갖추어야 신뢰받는 연구자이자 좋은 공동연구자가 될 수 있습니다.

무엇보다 중요한 것은 의미 있는 질문을 만들고, 그 질문을 검증할 수 있는 연구를 설계하며, 얻어진 결과와 연구의 한계를 정직하고 논리적으로 설명하는 능력입니다. 예상과 다른 결과를 단순한 실패로 여기지 않고 새로운 질문의 출발점으로 받아들이는 태도, 원자료를 책임 있게 관리하는 자세, 그리고 동료 연구자들과 협력하며 함께 성장하려는 마음도 중요합니다. 자신의 출발점을 한계로 여기기보다 고유한 강점으로 발전시키면서 새로운 분야에 도전하는 것을 두려워하지 않았으면 합니다.

6. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

앞으로는 이번 연구에서 확인한 집속초음파 이후의 아연 관련 신호와 해마 신경생성 반응을 정상 성체 동물에 국한하지 않고, 노화와 알츠하이머병, 외상성 뇌손상 등 다양한 병태 모델로 확장하고자 합니다. 노화와 질환은 기저 아연 항상성, 신경염증, 혈관 반응 및 신경생성 역량을 변화시킬 수 있기 때문에, 동일한 집속초음파 자극에도 뇌가 서로 다르게 반응할 가능성이 있습니다. 따라서 질환의 종류와 진행 단계, 개체의 생물학적 상태에 따른 반응 차이를 규명하는 것이 중요한 후속 연구 과제라고 생각합니다.

이러한 연구와 함께, 현재 제가 수행하고 있는 또 다른 핵심 연구축은 운동에 의해 조절되는 근육-뇌 축과 아연 항상성입니다. 운동 중 골격근에서 유래하는 신호와 전신 아연 대사의 변화가 노화 및 외상성 뇌손상 이후의 성체 해마 신경생성과 인지기능 회복에 어떠한 영향을 미치는지를 연구하고 있습니다. 특히 ZnT3에 의해 조절되는 시냅스 소포성 아연 생리와 전신 아연 항상성의 변화가 운동에 의해 유도되는 뇌 회복 반응에 각각 어떻게 기여하는지를 구분하여 밝히고자 합니다.

7. 다른 하시고 싶은 이야기들….

이번 연구는 어느 한 사람의 노력만으로 완성된 연구가 아닙니다. 연구의 출발점과 방향을 제시해 주신 서상원 교수님, 집속초음파 연구를 이끌어 주신 장원석 교수님과 신재우 박사님, 그리고 연구 수행과 분석, 결과 해석 및 논문 검토에 함께해 주신 공찬호 박사님, 홍대기 박사님, 박민규 박사님, 정영수 박사님께 깊이 감사드립니다. 각기 다른 기관에서 서로 다른 전문성을 지닌 연구자들이 신뢰를 바탕으로 오랜 시간 협력했기 때문에 이번 연구를 좋은 결실로 이어갈 수 있었습니다.

저는 연구가 개인 종목이라기보다 팀 스포츠에 가깝다고 생각합니다. 좋은 아이디어가 있더라도 이를 구현할 수 있는 전문기술과 연구자 간의 원활한 소통, 그리고 데이터의 정확성과 연구의 완성도에 대한 공동의 책임이 뒷받침되지 않으면 신뢰할 수 있는 성과로 이어지기 어렵습니다. 각자의 전문성이 유기적으로 연결되고 서로의 부족한 부분을 보완할 때, 한 사람이 혼자서는 도달하기 어려운 연구성과를 만들어 낼 수 있습니다. 이번 연구를 통해 협력의 가치와 중요성을 다시 한번 깊이 느낄 수 있었습니다.

저에게 이번 논문 게재는 연구의 마무리라기보다 새로운 질문의 출발점입니다. 집속초음파 이후 변화하는 아연 신호가 어디에서 비롯되고 어떠한 세포에 작용하는지, 그리고 새롭게 생성된 신경세포가 기존 해마 회로에 기능적으로 통합되어 실제 인지기능에 기여하는지를 밝히는 후속 연구가 필요합니다. 이번 한빛사 인터뷰를 통해 연구에 참여한 모든 분들의 노력과 협력의 과정이 함께 소개되기를 바라며, 운동과학·신경과학·의공학의 경계를 넘나드는 융합연구에 관심을 갖고 새로운 분야에 도전하는 후배 연구자들이 더욱 많아지기를 바랍니다.

마지막으로, 오늘의 제가 있기까지 언제나 묵묵히 믿고 응원해 주신 부모님께 깊은 감사의 말씀을 드리고 싶습니다. 연구자로 살아가는 동안 기쁨과 어려움을 가장 가까이에서 함께 나누고, 제가 연구와 교육에 전념할 수 있도록 한결같이 이해하고 지지해 준 사랑하는 아내에게도 진심으로 고맙다는 말을 전하고 싶습니다. 또한 바쁜 아빠를 이해해 주고, 언제나 따뜻한 웃음과 삶의 힘을 주는 사랑하는 세 딸에게도 깊이 감사드립니다. 한 편의 논문은 연구자의 이름으로 기록되지만, 그 결실 뒤에는 가족의 오랜 기다림과 배려, 그리고 변함없는 사랑이 함께 자리하고 있다고 생각합니다. 이번 성과의 기쁨을 가족과 함께 나누며, 앞으로도 가족에게 자랑스러운 연구자이자 남편, 그리고 아버지가 될 수 있도록 최선을 다하겠습니다.