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한빛사논문

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김효선
김효선Hyosun Kim

한양대학교

Curr. Biol., Available online 4 January 2023 | https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.12.014 A visuomotor circuit for evasive flight turns in Drosophila

Hyosun Kim1,4, Hayun Park2,4, Joowon Lee3,4, Anmo J. Kim1,2,3,5,6

1Department of Artificial Intelligence, Hanyang University, Seoul 04763, South Korea
2Department of Electronic Engineering, Hanyang University, Seoul 04763, South Korea
3Department of Biomedical Engineering, Hanyang University, Seoul 04763, South Korea
4These authors contributed equally
5Twitter:
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Corresponding author: Anmo J. Kim

Abstract

Visual systems extract multiple features from a scene using parallel neural circuits. Ultimately, the separate neural signals must come together to coherently influence action. Here, we characterize a circuit in Drosophila that integrates multiple visual features related to imminent threats to drive evasive locomotor turns. We identified, using genetic perturbation methods, a pair of visual projection neurons (LPLC2) and descending neurons (DNp06) that underlie evasive flight turns in response to laterally moving or approaching visual objects. Using two-photon calcium imaging or whole-cell patch clamping, we show that these cells indeed respond to both translating and approaching visual patterns. Furthermore, by measuring visual responses of LPLC2 neurons after genetically silencing presynaptic motion-sensing neurons, we show that their visual properties emerge by integrating multiple visual features across two early visual structures: the lobula and the lobula plate. This study highlights a clear example of how distinct visual signals converge on a single class of visual neurons and then activate premotor neurons to drive action, revealing a concise visuomotor pathway for evasive flight maneuvers in Drosophila.

논문정보

관련 인터뷰

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 초파리는 빠르게 다가오는 물체를 정확하게 감지하고 재빠르게 회피하는 높은 시각 능력을 갖추고 있습니다. 하지만 이것이 뇌에서 어떻게 이루어지는지는 알려지지 않았기 때문에 이번 연구를 시작하게 되었습니다. 본 연구는 노랑 초파리(Drosophila melanogaster)의 뇌에서 충돌이나 포식 위험을 감지하고 회피 비행을 유도하는 시각-운동 신경회로 메커니즘을 규명했습니다. 특정 시각신경세포인 LPLC2가 여러 종류의 위험 자극에 대한 다양한 특징들을 초기 시각 단계에서 통합하고, 초파리의 날개 움직임을 담당하는 운동계의 뉴런 중 하나인 DNp06을 통해 신속하게 전달됨을 밝혔습니다. 복잡한 시각 환경에서 위험 물체를 감지하여 회피하는 것은 사람을 포함한 포유류들도 효과적으로 수행하는 뇌 기능입니다. 따라서 향후 곤충과 포유류 간의 비교 연구를 통해 시각 회피 행동을 담당하는 신경망 알고리즘의 일반적인 원리를 규명할 수 있을 것으로 기대합니다. 또한 본 연구를 통해 얻은 데이터를 기반으로 충돌 회피 알고리즘을 개발하고 이를 드론과 같은 공학 시스템에 응용하는 ‘초파리 신경계의 리버스 엔지니어링’을 구현한다면 기존의 자율충돌회피 기술에서의 한계를 극복한 로봇을 개발할 수 있을 것입니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다. 저는 박사과정으로 한양대학교 인공지능학과 소속의 신경지능시스템 연구실(Neural Intelligence Systems Lab, NISL / https://www.anmokimlab.com )에서 김안모 교수님 지도 아래 연구하고 있습니다. 저희 연구실에서는 초파리의 뇌를 통해 신경회로의 구조와 알고리즘을 밝히는 연구를 하고 있습니다. 구체적으로 외부 자극 정보의 처리와, 기억, 행동 결정, 동작제어와 관련된 신경회로 연구와 더불어 곤충의 시각신경시스템과 비행제어시스템의 상호 작용 연구에 중점을 두고 있습니다. 제가 생각하는 저희 연구실의 큰 장점은 생명과학과 공학의 융합입니다. 전기생리학, 행동유전학, 광유전학, 칼슘 이미징 등의 기술을 사용하여 생물학적 실험을 진행할 뿐만 아니라, 실험에서 얻어진 데이터에 기반한 계산모델을 개발합니다. 최종적인 목표는 드론과 같은 자율 로봇에 활용할 수 있는 경량의 인공신경망을 개발하여 이를 공학시스템에 응용하는 것입니다. 이러한 연구로 인해 연구실 멤버의 전공분야는 생명과학, 화학, 통계학, 전자공학, 산업공학, 생체공학, 심리학 등으로 다양합니다. 다양한 전공지식을 가진 멤버들과 다양한 시각으로 연구에 대한 의견을 공유할 수 있는 것도 연구실의 장점이라고 할 수 있습니다. 3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 결과가 너무 궁금해서, 빨리 결과를 보고싶은 마음에 새벽까지 실험을 할 때나 주말에도 연구실에 앉아 실험을 하고나서 결과를 얻었을 때 자부심과 보람을 느낍니다. 저희 연구실은 출퇴근이 타 연구실 보다 자율적인 편이라, 정해진 시간 이외의 연구에 쏟는 시간은 자의에 의한 것입니다. 이처럼 정해진 시간이외에 하는 연구는 자신이 하는 연구에 대한 재미와 흥미의 척도라고 생각합니다. 계획되어 있던 요가 수업이나, 친구와의 모임같이 평소에 좋아하던 것들을 포기하고 마치 관성이 작용하듯 연구실을 떠나지 못할 때, ‘좋아하는 취미활동을 하러 가는 것 보다, 연구실에서 하고 있는 것을 더 좋아하는 구나’라는 생각을 하며 보람을 느꼈습니다. 한 예를 들자면 실험 때문에 친동생과의 약속을 취소한 적이 많았는데 동생이 이렇게 말한 적이 있습니다. “언니, 그냥 초파리랑 결혼해!” 라고요. 4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면? 연구는 ‘연구과정’에서 얼마나 큰 흥미와 재미를 느끼는지가 중요하다고 생각합니다. 연구를 하다 보면 결과가 바라던 대로, 예측한 대로 나오지 않는 경험을 자주 하게 됩니다. 제가 ‘결과’만 바라보고 연구를 했다면 유의미하지 않은 데이터들을 볼때마다 스트레스를 받았을 것입니다. 물론 성과를 위해서는 좋은 결과도 중요하지만, 저는 “과정에 더 의미를 두고 길게 간다는 생각으로 열심히 몰두해서 연구 하다보면 좋은 결과를 얻을 것이다” 라는 믿음으로 연구를 합니다. 후배들이 빠른 결과만 바라보다가 낙담하지 말았으면 하는 마음입니다. 5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면? 제 박사과정의 최종 목표는 초파리 신경계를 기반한 알고리즘 개발을 통해 기존 인공지능의 한계를 보완하는 것 입니다. 따라서 다음 연구목표는 초파리가 시각 패턴을 인식할 때 어떻게 노이즈를 처리하는지에 대한 신경회로를 생물학적으로 밝히고, 시각 노이즈를 처리하는 초파리의 신경회로를 모방한 알고리즘을 개발하여 기존의 인공지능 모델과 성능을 비교해보는 것입니다. 6. 다른 하시고 싶은 이야기들..... 먼저 저를 믿고 본 연구를 맡겨 주신 김안모 교수님께 감사의 인사를 전합니다. 바쁘신 와중에도 교수님께서는 많은 시간을 들여 결과와 관련하여 토의를 해주셨고, 적극적으로 지도를 해 주신 덕분에 본 연구를 마무리할 수 있었습니다. 그리고 힘들었던 시기에 함께 고민해준 연구실 멤버인 심유진 학생에게도 고맙다는 말을 전합니다. 현재 연구실 생활에 활력을 주고 있는 하수빈, 안준후, 김건일, 존, 앙헬, 김성용 등 연구실 모든 멤버는 고마운 연구 동료들입니다. 제가 하고 싶어하는 것들을 믿고 응원해주시는 존경하는 부모님께도, 바쁘다는 핑계로 잘 만나지 못해도 이해해주는 동생들에게도 감사하다는 인사를 전합니다. 연구 과정 중에 힘든 일이 있을 때마다 친구들과 함께한 시간이 큰 힘이 되었습니다. 이때문에 저는 인복이 많다는 생각을 자주 합니다. 이름을 모두 언급하지 못하지만, 고민을 들어주고 조언을 해주며 저의 자존감을 지켜주는 친구들에게도 고맙다는 말을 꼭 전하고 싶습니다.
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  • 2023. 01. 31
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