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현광범

한국과학기술원(KAIST)

배경: 히스톤의 번역 후 변형은 진핵생물 유전자 발현 조절에서 중요한 역할을 합니다. 현재까지 대부분의 연구는 히스톤 N-말단 꼬리 도메인과 그 결합 단백질의 변형에 중점을 두었습니다. 문제 제시: 그러나 뉴클레오솜 globular domain의 변형, 특히 DNA에 의해 가려져 있는 측면(lateral surface)에 위치한 히스톤 변형과 결합하는 단백질에 대해서는 알려진 바가 없습니다.

Nat. Commun.
2024.11.13

이상지

서울대학교

식물에게 제때 꽃을 피우는 일은 변화하는 환경 속에서 적응하기 위한 중요한 생존 전략입니다. 식물은 계절의 변화를 낮과 밤의 길이(일장)를 통해 인지하며, 그에 따라 언제 꽃을 피울지 결정합니다. 우리가 매일 밥상에서 볼 수 있는 식물인 ‘벼’는 밤의 길이가 짧아지는 계절인, 여름에서 가을 즈음에 개화하는 것으로 알려져 있습니다.

Plant Cell Environ.
2024.08.05

김규식

서울대학교 의과대학

인간은 살아가기 위해 반드시 음식을 먹어야 합니다. Systems Neuroscience에서는 인간이, 나아가 생명체가 음식 먹는 행동을 뇌에서 어떻게 조절하는지를 알아가는 분야입니다. 비만이라는 질병은 인간이라는 ‘시스템’이 현재 사회에 오면서 과한 섭식 행동에 의해 시스템에 문제가 생겨 발생한다고 해석할 수도 있습니다.

Science
2024.07.09

박준석

서울대학교 의과대학

안녕하십니까, 금년도 2024년도 2월에 서울대학교 의과대학을 졸업한 박준석이라고 합니다. 학부생 때 주제를 제안해서 시작했던 연구가, 상상했던 것을 훨씬 뛰어넘어 규모가 커져 공동 제1저자로 Science지에 논문 “GLP-1 Increases Preingestive Satiation via Hypothalamic Circuits in Mice and Humans”을 내게 되었음에 너무나도 큰 영광이고

Science
2024.07.05

김정섭

한국뇌연구원, DGIST

우리 모두는 가끔씩 "나.. 고민이 있어.. 요즘 사는 게 너무 힘들고 재미가 없어.."와 같은 말을 하게 됩니다. 이 순간, 우리는 자신이 과거에 즐겨했던 일에 대한 흥미와 즐거움이 사라진 것을 깨닫게 되는데, 그것이 ‘무쾌감증(Anhedonia)’의 시작이라고 할 수 있습니다.과거에는 즐겨했던 활동이 이제는 흥미롭지 않게 느껴지고 보람을 느끼지 못하는 것은 '무쾌감증'의 초기 신호입니다. 특히 대학원생 및 연구원으로써 일을 하고 있는 우리는 이러한 현상이 더 심할 것이라고 생각합니다.

Exp. Mol. Med.
2024.02.02

최태용

한국뇌연구원

사람을 포함한 사회성 동물들은 집단을 이뤄 생활하며, 그 안에서 상호 교류하기도 하고 경쟁을 하기도 합니다. 경쟁은 음식, 공간 등 제한된 자원 때문에 발생하고, 그 결과 개체들 사이에 서열이 형성됩니다. 동물이 다른 개체를 좋아하는 것뿐만 아니라 경쟁심을 느끼는 것 역시 환경의 영향을 강하게 받지만 본능에 가까운 행동이라는 생각이 듭니다. 이것이 가장 확대된 것이 전 세계를 전쟁의 공포로 몰아넣은 최근의 러시아-우크라이나 전쟁, 이스라엘-팔레스타인 분쟁이 아닐까 싶습니다.

Neuron
2023.12.15

홍지소

Perelman School of Medicine

Rapid eye movement (REM) 수면은 빠른 안구운동, 전신 근육의 이완 등이 나타나는 수면의 한 단계로 각성 상태와 비슷한 수준의 대뇌 피질 (cortex) 활성도를 특징으로 합니다. 이러한 대뇌 피질의 활성화는 REM 수면 동안 이루어지는 기억의 저장, 학습 내용의 재강화에 관여하며, 정동장애나 외상후 스트레스장애 등 대뇌 피질의 기능이 저하된 정신장애는 많은 경우 REM 수면의 이상을 동반합니다.

Nat. Neurosci.
2023.09.29

황경두

서울대학교

공포, 불안 등과 같은 정서 반응은 인간을 비롯한 많은 동물에서 나타나며, 이는 생존을 위해 필수적인 반응입니다. 기존의 많은 뇌 연구들은 편도체가 해당 반응의 중추 역할을 수행함을 밝혀왔습니다. 그러나 최근의 연구들은 편도체 뿐만 아니라 다른 많은 뇌 영역들 또한 공포-불안 정서반응에 대한 다양한 역할을 수행하고 있음을 밝히고 있습니다. 이러한 맥락에서 공포-불안 정서 반응을 뇌의 전체 네트워크 수준에서 이해하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있습니다.

Cell Reports
2023.04.13

김성훈

서울대학교

먼저 본 논문은 빛을 이용해 신경세포를 자극하는 광유전학 기술을 소동물 (마우스) functional MRI (fMRI)에 적용한 ofMRI (Optogenetic fMRI)분야의 연구입니다. 이 분야에서는 주로 광섬유를 마우스의 뇌에 심은 후, 빛을 전달함으로써 뇌의 특정영역을 자극하고 이때 발생하는 뇌 전체의 활성 신호 추적을 통해 뇌가 작동하는 원리를 이해하는 것을 목표로 합니다.

Neuron
2023.04.06

현정호

Johns Hopkins University, 현 DGIST

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 본 논문은 2017년 Nature Biotechnology에 출판되었던 Cal-Light (캘라이트) 기술의 업그레이드 버전에 대한 후속 논문입니다. 캘라이트 기술은 빛과 칼슘을 이용한 특정 행동 시 활성화되는 신경세포의 표지(레이블) 및 그 신경세포의 활성을 시공간적으로 매우 정확하게 조절할 수 있는 혁신적인 기술입니다. 특히, 이번 연구는 기존 캘라이트 기술의 단점을 보완한 연구입니다. 본 논문의 세 가지 강점을 소개해 드리겠습니다. 첫째, 활동전압에 ‘비의존적인’ 칼슘신호에 의해 신경세포가 ‘비특이적으로 표지’되어 정상적인 신호 대 노이즈의 비율이 상대적으로 높았던 캘라이트 기술의 단점을 보완하였습니다. 특정 신경세포의 세포체에서 발생하는 활동전압에만 의존한 레이블링으로 기존 캘라이트 대비 훨씬 좋은 효율을 보여주고 있습니다. 둘째, 기존의 캘라이트 시스템과 달리 신기술의 경우 캘라이트 단백질이 세포체에 집중되므로, 칼슘과 빛에 대한 반응성이 증가하여 청색광을 이용한 레이블 시간을 획기적으로 단축하였습니다. 특정행동에 관여하는 신경세포들을 기존 대비 더 높은 시공간해상도로 표지가 가능하게 되었고, 이 기술은 향후 훨씬 더 다양한 스펙트럼의 행동실험에 활용될 수 있습니다. 이러한 세포체 표적화 된 캘라이트 (ST-Cal-Light) 기술은 기존 기술 대비 더 큰 혁신성을 가지고 있습니다. 짧은 시간 동안 특정 행동 시 활성화되는 일련의 신경세포들을 표지하는 기술은 in vivo 조건에서는 매우 중요합니다. 왜냐하면 대부분의 동물 행동들은 반복적이지 않고, 짧게 나타났다가 사라지는 것들이 대부분이기 때문입니다. 친밀감을 표시하기 위한 사회적 접촉행동 등이 그 예가 되겠습니다. 게다가, 본 논문에서는 ST-Cal-Light을 이용하여 특정 기억뿐만 아니라, 사회성과 같은 고등인지기능, 더 나아가 뇌전증 등의 신경과적인 뇌질환 역시 전임상 단계에서 치료가 가능하다는 것을 실험동물을 이용하여 보여주었습니다. 뇌전증 관련 실험을 예로 들자면, 먼저 쥐의 해마 영역에 세포체 표적 바이러스 (AAV-ST-KA2)와 함께 할로로돕신 리포터 유전자 (TRE-AAV-NpHR)를 여러 군데 주입 후, 청색광을 조사하기 위한 광섬유 역시 같은 영역에 심었습니다. 그 다음, 일단 주입하면 십 수분 내로 발작을 일으키는 약물인

Nat. Commun.
2023.03.20

김효선

한양대학교

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 공학

Curr. Biol.
2023.01.26

조우현

서울대학교

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 불안장애는 전 세계 성인의 약 30% 이상이 언제든지 경험할 수 있는 질환으로 많은 정신질환 중 가장 높은 비율의 발병률을 보이는 질병입니다. 그동안 불안증을 조절하는 신경회로에 대한 연구들은 활발히 진행되었으나 신경교세포, 그 중에서 해마의 성상교세포가 불안행동을 조절할 수 있다는 사실은 본 연구를 통해 처음으로 밝힐 수 있었습니다. 이는 불안 장애 발병 원인에 대한 새로운 시각을 제공할 뿐 아니라 향후 그 치료제 개발에도 폭 넓게 이용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다. 본 연구실은 서울대학교 치과대학의 이성중 교수님의 지도 아래 CNS의 각 영역에서 성상교세포 및 미세아교세포의 역할에 대한 연구 및 여러 뇌질환과 신경병증성 통증의 치료제 개발을 위한 기초 연구들이 활발히 진행되고 있습니다. 3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 처음 이 연구실에 박사 후 연구원으로 와서 광유전학 및 동물 행동 실험 셋업부터 시작하여 지금의 논문이 나오기까지 꽤 오랜 시간이 걸렸습니다. 오랜 시간이 걸렸지만 안정적으로 실험할 수 있는 환경이 조성되었고 의미있는 실험들을 할 수 있어서 감사합니다. 4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면? 안정된 미래를 보장할 수 없는 불안전한 분야이지만 새로운 것을 발견하고 알아가는 것에 흥미를 느낀다면 힘들지만 즐겁게 연구 할 수 있을 것 같습니다. 또한 이러한 나의 작은 연구를 통해 아직 밝혀지지 않은 질병의 원인을 찾거나 그 치료 개발에 도움이 된다면 그보다 더 큰 보람은 없을 것입니다. 5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면? 아직도 미지의 세계라고 말할 수 있는 신경교세포의 가능성을 연구 함으로 풀지 못한 여러 질환들의 원인 규명 및 치료 개발을 위한 기초 연구를 지속 하고 싶습니다. 6. 다른 하시고 싶은 이야기들..... 이 연구를 진행 할 수 있는 환경을 열어 주시고 유익한 조언 뿐 만 아니라 이 연구기간 동안 두 아이의 출산을 이해해주시고 격려해주신 이성중 교수님께 깊은 감사를 드립니다. 부족한 연구에 좋은 의견 나누어 주셨

Nat. Commun.
2023.01.05

김선휘

University of Tennessee Health Science Center

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 뇌는 수백억 개의 뉴런들이 수많은 시냅스를 통해 연결된 복잡한 기관입니다. 현재까지 뇌 안에 여러가지 다른 역할에 관여하는 영역들이 발견되었고, 각 영역 안에서 특정 타입의 뇌세포를 찾아내어 표시하거나 유전자를 조작하는 기술은 많이 개발되었지만, 해부학적으로 멀리 떨어진 두 뇌 부위를 연결하는 회로 뉴런 (circuit neuron) 만을 구분해 내서 유전자를 조작할 수 있는 기술은 없었습니다. 이러한 회로 뉴런들이 중요한 것은 바로 우리가 사회적 상호작용 같은 복잡한 행동을 할 때, 하나가 아닌 여러 뇌 영역들이 협동하여 활동하기 때문입니다. 때문에 멀리 떨어진 특정 뇌 영역들을 연결해주는 어떤 회로 뉴런들은 사회적 행동 등의 복잡한 행동에 매우 중요한 역할을 담당할 수 있고, 이것은 어쩌면 적어도 약 100여개 이상의 유전적 요인이 있는 것으로 추정되는 자폐 스펙트럼 장애(Autism spectrum disorder)의 메커니즘을 밝히는 데 있어서 중요한 열쇠가 될 수 있습니다. 여러 유전자들의 역할이 겹치는 특정 회로가 있다면 그것이 왜 각기 다른 유전적 결함이 비슷한 증상으로 수렴하는지를 설명할 수 있기 때문입니다. 이를 위해 제가 속한 연구실에서는, 회로 뉴런들을 찾아내고 유전자를 조작할 수 있는 기술을 개발하였습니다. 기존에 유전자 조작을 위해 널리 쓰이는 Cre recombinase 유전자를 CreN과 CreC로 나누는 기술과 유전자 전달을 위한 Adeno-associated virus (AAV)를 결합하여 멀리 떨어진 두 영역을 연결하는 특정 회로 뉴런들에게서만 Cre recombinase 가 나타나도록 하고 (그림 1) 이 기술을 Split-Intein mediated split-Cre reconstitution system으로 명명하였습니다. <그림 1. 회로 선택적 Cre 재조합 기술을 이용한 전전두엽(PFC)-기저측 편도체(BLA) 회로의 선택적 염색 > 본 연구에서는 이 기술을 Shank3 f/f 유전자 도입 마우스에게 적용하여 자폐 스펙트럼 장애와 큰 연관이 있는 것으로 알려진 Shank3 유전자를 마우스 뇌 속의 전전두엽(prefrontal cortex: PFC)과 기저측 편도체(basolateral amygdala: BLA)를 연결하는 회로 뉴런들 속에서만 제거하였습니다. 그 결과 마우스들은 사회적 상호작용이 줄었으나 자폐의 다른 증상인 강박행동은 보이지 않았습니다. 이를 통해 전전두엽-기저측 편

Cell Reports
2022.10.31

강석재

Salk Institute for Biological Studies

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 생물체에게 위협 (threat)을 인식하고 반응하는 것은 생존과 직결되는 기능입니다. 그렇기 때문에 신경과학 분야에서도 위협 또는 공포 (fear)에 대한 연구의 역사는 매우 오래되었습니다. 동물에게 전기자극을 주어 공포기억을 생성하는 기작에 대한 연구는 특히나 심도있는 논문들이 현재까지도 많이 발행되고 있는데 이 과정에서 편도체 (amygdala)가 중요하다는 것은 익히 알려져 있습니다. 하지만 편도체가 공포기억을 생성할때 공포자극 (unconditioned stimulus, US)에 대한 신호를 어떻게 받는지는 현재까지도 정확한 해답은 얻지 못하고 있습니다. 또한, 학습된 위협 뿐만 아니라 다양한 감각을 통한 선천적 위협에서도 편도체가 어떻게 관여하는지를 확실히 보여준 연구 결과는 부족합니다. 저희는 이번 연구를 통해 위 문제들을 해결할 신경회로를 규명하였고 그 중심에 calcitonin gene-related peptide (CGRP) 신경세포 (neuron, 뉴런)들이 있다는 것을 확인하였습니다. 한성 교수님이 Post Doc 때 이미 뇌간 (brainstem)에 있는 CGRP 뉴런들이 공포와 통증에 어떠한 역할을 하는지 밝힌바 있으신데 저희는 이번에 시상 (thalamus)에 있는 CGRP 뉴런들까지도 추가하여 연구를 진행하였습니다. 단 세포 칼퓸 영상 (in-vivo single-cell calcium imaging)을 사용한 결과, 뇌간과 시상에 있는 두 종류의 CGRP 뉴런들이 다섯가지의 감각 (시각, 청각, 통각, 후각, 미각) 의 선천적 위협신호에 반응한다는 것을 확인하였습니다. 또한, 이 뉴런들의 활성을 억제하였을 때는 이 선천적 위협신호들에 대한 방어반응이 많이 줄어드는 것을 보았습니다. 그 후, 서로 다른 색의 형광단백질을 두 부위에 발현시켜서 편도체로 가는 신호를 추적할 수 있었고 신기하게도 둘은 서로 세부적으로는 겹쳐지지 않은 영역과 연결되어 있는 것을 확인하였습니다. 뇌간의 CGRP 뉴런은 central amygdala, 그리고 시상의 CGRP 뉴런은 lateral amygdala 라는 곳으로 신호를 전달하였습니다. 각각의 CGRP 뉴런과 이어진 편도체의 신경회로를 억제하면서 같은 선천적 위협 신호를 주었을때에도 CGRP 뉴런만 억제했을 때와 같은 결과를 얻을 수 있었고 일반적으로 사용하는 전기자극에 대한 공포기억도 줄이는 것을 확인할 수 있었습니다. 또한, 이 신경회로들을 광유전학 (opto

Cell Reports
2022.10.11

김정섭

DGIST(한국뇌연구원)

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 복잡한 현대 사회를 살아가면서 사람들은 종종 갈등, 폭력 등 지나친 스트레스를 겪는데, 이러한 스트레스가 장기간 지속되는 경우 우울증과 같은 심각한 정신 질환으로 발전하기도 합니다. 특히, COVID-19 팬데믹 시대를 겪으며, 우울증 유병률이 더욱 높아지고 있지만, 전체 환자의 3-40% 정도의 환자가 여전히 약물저항성이나 약물 효과 지연 현상 등의 부작용들로 우울증 치료의 한계를 보이고 있습니다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 정신질환 발병 메커니즘과 치료제의 개발에 대한 필요성이 더욱 대두되고 있습니다. 저희는 지속적인 만성 스트레스로 인해 발생하는 우울증과, 이를 야기하는 메커니즘에 초점을 맞추고 있습니다. 본 연구에서는 “사회 패배 스트레스”라고 불리는 10일간 사회 패배에 노출시켜 우울증을 야기하는 동물 모델을 사용해 사회성이 현저히 떨어지는 쥐(susceptible)와 스트레스를 받았음에도 대조군과 유사한 사회성을 보이는 쥐(resilient)를 만들고, 이러한 행동학적 차이가 기저외측 편도체에서부터 투사되는 글루타메이트성 뇌신경회로망의 활성에 의해 결정된다는 사실을 발견하였습니다. 또한 빛을 사용하여 신경세포의 활성을 조절하는 기술인 광유전학 기법을 이용하여, 10일간의 사회 패배 직후 기저외측 편도체(basolateral amygdala)로부터 내측 전전두엽 피질(medial prefrontal cortex) 또는 복측 해마 (ventral hippocampus)로의 신경회로를 활성화하였을 때 만성 사회적 패배 스트레스를 받았음에도 불구하고 우울증 행동이 회복됨을 확인할 수 있었습니다. 더 나아가 본 연구에서는 해당 동물 모델에서 편도체로부터 글루타메이트 신호를 받는 내측 전전두엽 피질과 복측 해마에서 수많은 글루타메이트 수용체 중 오직 mGluR5(metabotropic glutamate receptor 5)가 스트레스에 취약한 개체에서 더 적게 발현함을 발견하였습니다. 내측 전전두엽 피질과 복측 해마는 기처외측 편도체로부터 글루타메이스성 신호를 mGluR5를 통해 수용하여 하위 신호전달이 일어납니다. 저희는 글루타메이트 하위 신호전달 중 편도체-내측 전전두엽 피질 신경회로망은 mGluR5-homer1b/c-AKT 신호전달을 통해 우울증을 유발하고 복측 해마에서는 mGluR5-Gq-ERK 신호전달체계를 따라 우울증을 유발한다는 사실을 발견하였

Biol. Psychiatry
2022.02.03

정아인

New York University, 현 Massachusetts General Hospital

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 인지행동치료 (Cognitive Behavioral Therapy)에서 쓰이는 인지 훈련 (cognitive training)은 훈련과정에서 주어지는 과제에 대한 세부적 기억 형성을 목적으로 하는 것 보다는, 반복된 훈련을 통한 전반적인 인지기능 향상을 목적으로 합니다. 교육현장에서도 우리가 초중고등학교에서 긴 기간 동안 기초 학습을 하는 이유 중 하나도 개별 과목 정보들을 세세히 기억하는 것 보다는 교육과정을 통해 다양한 정보를 처리하고 저장하는 능력의 효율성을 높이는 것을 목표로 하는 것이라고 생각합니다. 신경과학에서의 그간의 눈부신 성과들은 특정한 기억들이 어떠한 방식으로 뇌에서 저장 되는지 세포와 회로의 변화를 보여주었습니다. 그러나 인지 훈련의 결과로 인한, “개별 기억과는 상관없는 지속적이고 전반적인 인지기능 향상 (memory-nonspecific and persistent cognitive function enhancement)”, 혹은 “학습의 학습 (learning to learn)” 현상이 어떠한 뇌의 변화를 통해서 일어나는지는 아직까지 신경회로 수준으로 연구된 바가 없습니다. 이번 논문에서는 쥐에서 Active avoidance training이라는 동물행동훈련방식이 인간에서의 인지조절훈련 (cognitive control training) 에서 나타나는 결과와 비슷함을 관찰하고, 이러한 훈련이 얼마나 장기적인 인지 기능향상을 불러일으키는지, 다른 종류의 행동훈련결과에도 전반적인 영향을 미치는지, 그리고 뇌에서 어떠한 장기적인 변화를 가져오는지를 연구하였습니다. 행동실험에서는 난이도가 높은 인지훈련과 상대적으로 난이도 가 낮은 훈련을 받은 통제 그룹을 비교하였을 때, 인지훈련을 받은 쥐에서만 인지훈련의 효율성이 높아지는 것을 관찰하였고 인지훈련을 받는동안 해마의 세포가 중요한 정보를 독립적으로 처리하여 중요한 정보에만 선택적으로 집중하는 인지훈련의 정보처리 양상을 보여주며, 인지훈련을 한 쥐의 해마 신경회로에서 대뇌 피질-해마간 연결이 억제 되어 있고, 그 기제에는 억제성 연합 뉴런 (inhibitory interneuron)의 활성이 증가되어 있는 것을 장기적인 신경생리학 (in vivo electrophysiology) 실험과 광유전학 (optogenetics) 실험을 통해 보여주었습니다. 이결과는 인지훈련이 어떤 신경 기전을 통해 해마의 정보처리 기능을 향상시키는지

Nature
2021.11.17

조혜연

KAIST

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 경험은 기억으로 저장이 되고 그 기억은 우리의 뇌 속에서 특정 신경 세포 집단에 의해 표상됩니다. 이러한 기억 저장 세포 집단이 기억의 물리적 단위로 여겨지며 이를 기억 엔그램 (memory engram) 이라고 합니다. 1900년대 기억 엔그램의 발견 이후 많은 연구들이 기억 엔그램과 엔그램 형성 원리에 대해 활발히 규명해왔습니다. 그 결과 기억 저장 메커니즘의 이해도가 높아졌지만 여전히 풀리지 않은 궁금증이 많습니다. 한번 저장된 기억 엔그램은 시간이나 경험에 따라 어떻게 변하는지 또한 아직 밝혀지지 않은 부분입니다. 저희는 생쥐 모델에서 광유전학 기법을 이용하여 반복된 학습의 기억이 기존에 형성되었던 엔그램과 전혀 다른 신경세포에 저장됨을 밝혔습니다. 같은 기억은 늘 같은 위치에 저장되고 축적될 것이라는 일반적 통념과 상반되는 발견이었습니다. 학습과 기억에 대한 패러다임을 바꿔 앞으로의 기억 원리 연구에 새로운 방향을 제시할 것이라 기대합니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 한국과학기술원 (KAIST)의 생명과학과에는 다양한 생명과학 분야의 연구실이 모여 있어 다른 연구실과의 공동연구가 용이하고 자유롭습니다. 그 덕에 이번 논문에도 김은준 교수님 연구실의 신왕용 박사님의 도움을 받아 핵심 결과 중 하나인 전기생리학 데이터를 실을 수 있었습니다. 저는 생명과학과 연구실 중에서도 한진희 교수님의 기억 생물학 연구실에 소속되어 연구를 진행했습니다. 기억 생물학 연구실은 생쥐 모델을 기반으로 기억 형성 원리부터 업데이트 현상 등 기억의 다양한 성질을 동물 행동, 신경회로망, 신경세포, 시냅스 그리고 분자 단위에서 관찰하고 연구합니다. 뇌 속 수억 개의 뉴런들이 어떤 원리로 연결되고 때론 분리되어 기억을 저장하고 수정하고 또 잃어버리는지 규명하는 흥미롭고도 중요한 임무를 수행하고 있습니다. 연구실 사이트 ( https://sites.google.com/site/neuralcircuitandbehaviorlab/ )에 방문하시면 보다 많은 정보들을 확인하실 수 있으니 많은 관심 부탁드립니다. 3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 카이스트에서 연구 활동을 하며 가장 감사했던 것은 다채롭고 기발한 생각을 가진 과학자들과

Curr. Biol.
2021.11.15

박정환

Columbia University, New York State Psychiatric Institute

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 우리는 흔히 휴가로 여행 등을 다녀온 후 머리가 refresh되어 업무나 학업 효율이 좋아졌다고 말하곤 합니다. 저는 평소에 이렇게 일상에서 벗어난 새로운 경험에 의한 refresh가 뇌 회로에서 어떤 의미인지 궁금하였고, 본 연구는 앞으로 제 연구실을 차렸을 때 수행할 연구들 중 하나로 계획했던 것이었습니다. 비록 박사 후 연구원이지만 저만의 연구를 할 기회가 생겨서 이 연구를 진행하였습니다. 지도교수님이셨던 Dr. Gordon이 미국국립보건원(National Institute of Mental Health)의 Director가 되어 Columbia University를 떠나면서 남아있던 연구비와 장비로 하고 싶은 연구를 하라고 하셔서 시작하게 되었습니다. 학습과 기억을 연구하는 분야에서는 해마(Hippocampus)와 전두엽(prefrontal cortex)의 도파민과 세타파동 (4-12Hz theta oscillation)이 뇌 세포를 활성화하고 신경망을 강화해서 인지능력을 향상시킨다고 일반적으로 생각해 왔습니다. 저의 연구는 새로운 경험에 의해 강화된 도파민과 세타파동이 실제로는 해마의 활성화 양상을 변화시켜 기존에 형성되어 있던 해마와 전두엽간의 신경망을 약화(refresh or reset)시킴을 발견하였습니다. 그리고 새로운 경험이 이렇게 기존에 학습한 정보로 포화상태에 있는 (경직된) 뇌 신경망을 비워줌으로써 새로운 신경망의 형성과 강화를 가능케하여 인지능력을 향상시킴을 보였습니다. 결과적으로 도파민과 세타파동이 뇌 회로를 강화하여 인지능력을 향상시킴을 보였으나, 언뜻 보면 기존 통념에 반하는 내용으로 주변 동료, 다른 저자들, reviewer들로부터 처음에는 counter intuitive, contradictory to previous findings, non-sense라는 반응을 들었으나 현재는 paradigm shift, a rare concept paper라는 평을 듣고 있습니다. 이 연구는 여러 과학 잡지와 포브스 같은 일반 잡지에도 소개되었습니다. 사실상 1인 실험실을 운영하며 주말/휴일 없이 하루 13시간씩도 일하며 힘든 시간이었으나 참고 응원해준 가족과, 논문 작성과정에 걸쳐 여러 도움을 준 Dr. Gordon, Dr. Gogos, Dr. Harris 교수님과 다른 동료들께 감사드립니다. 머리가 복잡하고 일에 지쳐 재충전이 필요하십니까? 미련없이 휴가를 떠나세요. 새롭게 reset된 뇌가 보답할 것입니다. 2. 연구를 진행했

Nature
2021.07.27

주상현

KAIST

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 2015년 MTOR 체세포 돌연변이가 난치성 뇌전증을 유발하는 국소 피질 이형성증(focal cortical dysplasia II, FCD II)의 원인임이 밝혀졌습니다. 이번 연구는 FCD II 환자의 국소적인 대뇌 피질 이형성이 어떻게 뇌전증 발작을 유발하는지를 뉴런 네트워크 수준에서 설명하고자 하였습니다. 이 논문의 가장 중요한 발견 중 하나는 MTOR 체세포 돌연변이를 지닌 뉴런은 흥분성이 감소되어 있는 반면 그 뉴런 주변의 MTOR 체세포 돌연변이가 없는 뉴런의 흥분성이 증가해 있다는 것입니다. 그리고 두번째는 MTOR 체세포 돌연변이를 지닌 뉴런에서 과생산된 아데노신 키나아제 (adenosine kinase)에 의한 국소적인 아데노신 감소가 주변세포의 흥분성 증가에 기여한다는 것입니다. 저는 이 연구에서 패치클램프 방법을 이용하여 변이 MTOR 혹은 정상 MTOR 를 포함한 벡터를 삽입한 마우스의 대뇌피질에서 뉴런들의 흥분성을 비교하였습니다. 또한 일부 뉴런들의 흥분성 증가를 설명하기 위해 1) 흥분성/ 억제성 시냅스후전류(IPSC/EPSC)를 비교하였고 2) 아데노신 경로를 조절하는 약물을 처리한 후 뉴런들의 흥분성 변화를 확인했습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다. 제가 소속되어 있는 한국과학기술원 생명과학과 신경생리학 연구실 (Laboratory for Neurophysiology)은 손종우 교수님의 지도하에 에너지 항상성을 조절하는 중추신경계의 주요경로에서 이온 채널과 시냅스 연결의 역할을 규명하는 연구를 합니다. 에너지 항상성 유지에는 뇌하수체의 식욕조절, 중추 및 자율신경계에 의한 에너지 대사 조절이 포함되며, 이 분야의 신경 및 생리학 관련 질문에 답하기 위해 전기생리실험, 행동실험, 대사적 실험 등 다양한 방법으로 접근하고 있습니다. https://sites.google.com/site/sohnlab2014/home 3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 MTOR L2427P 플라스미드가 삽입된 L2427P 뉴런은 플라스미드가 삽입되지 않은 L2427P nearby 뉴런에 비해 세포체의 부피가 8배가량 큽니다. L2427P 뉴런의 세포막이 넓고 약했기 때문에 패치클램프 과정에서 giga seal을 만들고 유지하는 것이 쉽지 않았습니다. 하지만 고현용 박사님의 도움으로 전기천공술(electroporation)을 받은

Ann. Neurol.
2021.07.16

진승우

서울대학교

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 저희들은 하루의 모든 일을 기억할 수는 없지만, 감정적으로 활성화된 사건 혹은 인생에서 중요한 순간들은 머리속에서 선명하고 오랫동안 기억할 수 있습니다. 일화기억(Episodic memory)의 형성에는 해마가 필수적이며, 특정 장소에서 경험한 감정적 사건들에 대한 기억 또한 일화기억의 한 종류입니다. 하지만 특정 공간에서 발생한 감정적 사건(episodes)이 해마에서 어떻게 처리되는지 잘 알지 못합니다. 이를 규명하기 위해 살아있는 쥐의 해마의 단일세포 신경활동을 기록한 연구를 진행하였습니다. 해마는 1950년부터 본격적으로 연구되어왔고, John O'Keefe가 2014년 노벨 생리의학상을 받을 만큼 지금까지도 많은 관심을 받고 있는 영역입니다. 하지만 저는 여전히 해마가 어떻게 기억을 형성할 수 있는지에 대한 시원한 답을 할 수 없는 상태라고 생각합니다. 최근 들어, 광유전학(optogenetics)을 필두로 해마의- 뇌세포 활동을 조작하고 측정할 수 있는 기술들(Calcium imaging)이 발전되고 있습니다. 발전된 과학 기술에 힘입어 해마 연구를 통해 저는 언젠가 잊고 싶은 기억을 지우고, 잃어버린 기억을 되찾을 수 있는 기술이 개발될 것이라고 생각하고 있습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 저는 서울대학교 뇌인지과학과 이인아 교수님 연구실에서 박사과정을 밟고 있습니다. 저희 학과는 연구 스펙트럼이 상당히 넓다는 장점이 있습니다. 치매, 조현병과 같은 질병에 대한 임상연구뿐만 아니라 계산 모델링, fMRI, PET 및 전기생리학 기법에 전문가인 교수님들이 학과를 이끌어가고 있습니다. 현재 BK21 FOUR NICE (Neuroscience-Inspired Cognitive Enhancement) 사업단 및 "적응지능을 위한 뇌인지과학 프로젝트" 서울대학교 10-10 프로젝트에 선정되어 활발한 뇌 연구를 진행하고 있습니다. 3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 남들이 발견하지 못한 의미있는 결과를 발견할 때의 성취감으로 그 동안의 힘든 시간을 이겨낼 수 있는 것 같습니다. 이러한 큰 성취감을 얻을 수 있는 일을 하고 있다는 것이 자부심이라고 생각됩니다. 4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면? 진로 결정에

Curr. Biol.
2021.06.08

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