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한빛사논문

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김성신
김성신Sungshin Kim

기초과학연구원, 성균관대학교, Northwestern University

Sci. Adv., 22 Aug 2018, Vol. 4, no. 8, eaar2768 | DOI: 10.1126/sciadv.aar2768 Selective and coherent activity increases due to stimulation indicate functional distinctions between episodic memory networks
Sungshin Kim1,2,3,*, Aneesha S. Nilakantan1,*, Molly S. Hermiller1, Robert T. Palumbo1, Stephen VanHaerents1 and Joel L. Voss1,†

1Department of Medical Social Sciences, Ken and Ruth Davee Department of Neurology, Department of Psychiatry and Behavioral Sciences, and Interdepartmental Neuroscience Program, Feinberg School of Medicine, Northwestern University, Chicago, IL 60611, USA.
2Center for Neuroscience Imaging Research, Institute for Basic Science, Suwon, Republic of Korea.
3Sungkyunkwan University, Suwon, Republic of Korea.

†Corresponding author. 

* These authors contributed equally to this work.

Abstract

Posterior-medial and anterior-temporal cortical networks interact with the hippocampus and are thought to distinctly support episodic memory. We causally tested this putative distinction by determining whether targeted noninvasive stimulation could selectively affect neural signals of memory formation within the posterior-medial network. Stimulation enhanced the posterior-medial network’s evoked response to stimuli during memory formation, and this activity increase was coherent throughout the network. In contrast, there was no increase in anterior-temporal network activity due to stimulation. In addition, control stimulation of an out-of-network prefrontal cortex location in a separate group of subjects did not influence memory-related activity in either network. The posterior-medial network is therefore a functional unit for memory processing that is distinct from the anterior-temporal network. These findings suggest that targeted stimulation can lead to network-specific increases in excitability during memory formation and hold promise for efforts to fine-tune network involvement in episodic memory via brain stimulation.

논문정보

  • 형식Research article
  • 게재일2018년 08월 (BRIC 등록일 2018-08-29)
  • 연구진국내+국외 연구진
  • 분야

관련 인터뷰

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 자기장으로 전자기유도현상을 이용하여 뇌에 미세전류를 흘려 자극하고자 하는 시도는 20세기 초까지 거슬러 올라 가지만 안정된 형태의 비침습적 경두개자기자극술 (TMS) 가 개발된 것은 1985년, 지금으로부터 대략 30년 전입니다. 현재까지 TMS 는 우울증에 치료가 있는 것으로 잘 알려져 있으며 실제로 많은 병원에서 약물로 인해 치료가 어려운 우울증 환자를 대상으로 TMS 가 사용되고 있습니다. 뇌인지과학에서 TMS 는 주로 자극하는 부분과 관련된 뇌의 기능을 일시적으로 방해하여 소위 virtual lesion을 형성하여 뇌기능에 대한 인과관계를 연구하는 방식으로 사용되어 왔습니다. 다양한 모드의 TMS 가 뇌기능에 미치는 영향이 달라진다는 연구가 꾸준히 보고되었고 특히 고주파 (10 ~ 20 Hz) 의 반복적 자극 (repetitive TMS: rTMS) 가 자극 부위의 뇌기능을 활성화시킨다는 결과가 소개되었습니다. 하지만 TMS 로 유도된 미세전류가 자기장의 세기가 거리에 따라 급격하게 줄어들어서 뇌의 깊은 곳까지 침투하지 못하기 때문에 자극할 수 있는 뇌의 표면과 멀리 떨어져 있는 기억과 관련된 해마체를 직접적으로 자극할 수 없다는 점이 한계점으로 남아 있습니다. 이러한 한계점을 간접적으로 해결하기 위해서 휴지상태에서 해마체와 상관도가 높은 영역인 두정엽을 자극하면 해마체와 관련된 연상기억을 높일 수 있다는 연구결과가 2014년 사이언스지에 소개가 되었습니다. 제가 이번에 발표한 논문은 사이언스 논문을 발표한 같은 연구실에서 이루어진 후속 연구로서 휴지상태의 뇌활동만을 분석한 선행연구에서 한 걸음 더 나아가 실제 기억이 형성이 될 때 fMRI 로 관찰된 뇌활동에 TMS 가 어떠한 영향을 주는지 처음으로 보여주었습니다. 또한 이전 연구와 마찬가지로 젊은 정상피험자군에서 사물의 장소나 연관된 이미지를 기억해내는 연상기억의 상승이 유의미하게 일어난 것을 보여주었습니다. 본 연구에서 흥미로운 발견은 사물 자체를 보았는지 보지 않았는지를 기억하는 재인기억을 향상시키지는 못하였다는 것입니다. 재인기억을 향상시키는 방법을 개발하고 뇌과학적기전을 밝혀내는 연구는 매우 흥미로운 향후 연구주제가 될 것입니다. 연구과정에서의 에피소드를 이야기 하자면 지도교수님이신 Joel Voss 교수는 만 40세도 되지 않은 젊은 교수님이시고 심지어는 저보다 1살이 어립니다. 하지만 지금까지 이루어놓은 연구성과를 보면 놀라지 않을 수 없습니다 (이 분의 CV 를 보고 싶으시면 연락을 주세요.) . 제가 포스닥으로 있을 때 미국 내에서도 받기 어려운 NIH 의 R01 그랜트를 세 개나 가지고 있었을 정도입니다. 학생과 포스닥을 함께 연구하는 동료로 생각하고 친절하게 대해주시지만 연구에 있어서는 매우 까다롭고 정확한 면이 있습니다. 제게는 너무 감사한 것이 제가 포닥으로 있으면서 초기에 결혼을 하였는데 1년의 절반이 넘는 시간 동안은 한국에서 원격으로 일을 할 수 있도록 배려를 해 주셨습니다. Joel Voss 교수님의 연구실에 온 이래 결혼하고 아들을 낳고 또 성균관대 뇌과학이미징 연구단에 YSF (Young Scientist Fellow) 라는 좋은 기회를 잡아 올 수 있게 되었습니다. 나이도 저보다 한 살 어린 이 분을 통해서 연구자로서 많은 것들을 배우고 또 포닥과 학생들을 대하는 겸손한 태도에서 인간으로서도 많은 것을 배웠습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 제가 두 번째 포스닥 과정으로 선택한 노스웨스턴 의과대학은 시카고의 다운타운에 자리하고 있습니다. 에반스톤에 있는 메인 캠퍼스와 달리 다운타운에 있고 제 연구실은 미시간 호수를 바라보는 곳에 있고 밀레니엄 공원이라는 넓은 공원이 있어서 힘든 연구주제와 씨름하면서도 마음의 여유를 잃지 않을 수 있었습니다. 3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 앞서 언급한 것처럼 저는 기초과학연구원에서 지원해 주는 YSF 프로그램으로 성균관대 뇌과학이미징센터에 오게 되었습니다. 1년에 3억원이나 되는 넉넉한 연구비를 받게 되었고 지금은 연구원들과 함께 마음껏 하고 싶은 연구를 하고 있습니다. 박사과정, 그리고 포스닥 과정을 통해서 해보고 싶었던 연구를 거의 어떠한 제약도 받지 않고 연구를 할 수 있게 되었습니다. 거짓말처럼 들릴지 모르지만 매일 아침에 출근하는 것이 즐겁고 주말이 오면 빨리 월요일이 돌아오기를 기다릴 정도입니다 (결코 두 돌 안된 아들을 돌봐주는 선생님이 주말에 오지 않기 때문이 아닙니다!! ). 남들이 보기에 아주 대단한 연구를 하고 있다는 생각을 하진 않지만 남들이 하지 않는 도전적인 실험을 하고 있어서 연구자로서 보람을 느끼면서 매일 감사하면서 살고 있습니다. 또한 현재 저와 함께하고 있는 박사후연구원과 두 명의 석사급 연구원 모두 과학에 대한 순수한 호기심과 열정을 가지고 있는 매우 훌륭한 분들입니다. 비록 사이언스, 네이처, 셀에 논문을 낼 만큼의 연구가 아니더라도 나만의 연구를 하면서 새로운 질문을 하고 그 질문의 답을 찾아가는 과학자로서의 삶이 매우 만족스럽습니다. 두 돌도 지나지 않은 제 아들에게도 당당한 아버지로 살아가는 것 같아 기쁩니다. 4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면? 제가 오늘 제 연구실의 포닥과도 이야기를 했지만 뇌과학분야는 융합학문이기 때문에 자신이 질문하고 있는 연구주제에 대해 답할 수 있는 방법이 있다면 그것이 무엇이 되었건 주어진 환경에서 빠르게 채택하고 배울 수 있는 능력이 있어야 합니다. 연구에도 유행이 있고 소위 '뜨는 분야' 가 있지만 유행에 민감하게 따라가지 않고 자기만의 과학적 물음과 호기심을 가지고 있는 것이 매우 중요합니다. 예를 들면 빅데이터나 뇌-기계 접속이라는 분야가 굉장히 인기가 많아서 한국에서는 많은 사람들이 이와 관련된 연구를 하고 싶어합니다만 눈에 보이는 유행과 인기를 따라서 자신의 분야를 결정하지 않기를 바랍니다. 5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면? 향후 연구과제는 본 논문에서 보여주지 못한 재인기억을 높일 수 있는 자극방식 (자극 위치, 자극 주파수 등) 과 다양한 형태의 기억 (공간기억, 언어기억 등) 을 높이는 방식 또한 더 나아가 초기치매환자를 치료하는데 효과적인 자극 방식의 개발이 될 것입니다. 이를 위해서 현재 삼성서울병원의 나덕렬 교수님과 함께 제가 성균관대에서 시작한 계산학습기억 연구실 (http://clmnlab.com) 이 공동연구를 진행할 예정입니다. 또한 TMS 를 이용하여 연상기억과 같은 선언기억 (declarative) 이 아닌 과정기억을 조절하는 방법을 연구할 계획입니다. 대표적으로 운동학습이 있는데 이 분야는 저의 박사학위의 주제이기도 하고 국내에 많이 알려져 있지 않고 관련분야의 연구자들이 많이 없기 때문에 흥미로운 연구주제들이 많습니다. TMS 가 파킨슨병과 같은 뇌질환으로 인해 생기는 운동기능의 장애를 치료할 수 있는 방법이 될 가능성에 대해서 연구해 보고 싶습니다. 6. 다른 하시고 싶은 이야기들.... 삼성서울병원과 공동연구를 진행하는 과정에서 식약청으로부터 처음에 저희가 제안한 삼성서울병원에서 TMS 자극을 진행하고 성균관대 뇌과학이미징센터에서 fMRI 실험을 하는 방식이 임상기기법을 위반한다는 통보를 받아서 실험허가가 나지 않았습니다. 현재 fMRI 실험을 최소화하여 모두 삼성서울병원에서 진행하는 방식으로 IRB 를 다시 작성하였습니다. 저는 이 부분을 해결하고 싶어서 국회의원의 보좌관으로 일하고 있는 친형을 통해서 관련 법률을 검토하기까지 하였습니다. 현재로서는 TMS 를 환자에게 사용하고 fMRI 촬영을 하는 모든 과정이 임상허가기관 (병원) 에서만 진행이 되도록 법률적으로 규제가 되어 있습니다. 향후에는 이런 부분의 규제가 조금은 풀려서 환자를 대상으로 새로운 연구가 의사와 과학자들의 공동연구를 통해서 더 활발하게 진행이 되었으면 하는 바램이 있습니다.
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영화가 현실로 … 자기장으로 뇌 자극하니 기억력 ‘점프’ 기초과학연구원(IBS) 뇌과학이미징센터의 김성신(39) 박사는 경두개 자기자극과 자기공명 영상기법을 이용해 사람의 기억력을 높이고, 또 이 과정에서 자극이 뇌의 활동에 어떤 영향을 미치는지를 밝혀냈다. 김 박사의 연구는 국제학술지 사이언스 어드밴시스 온라인에 22일 게재됐다. ‘경두개 자기자극’(TMS:transcranial magnetic stimulation)이란 두개골을 열지 않고 외부에서 자기장으로 뇌를 자극한다는 의미다.
  • 중앙일보
  • 2018. 08. 27
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