뇌신경과학 국제학술지 표지 논문 장식한 KAIST 학부생 - 동아사이언스

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왼쪽부터 백세범 교수, 김진우 학사과정, 송민 박사과정 연구원. KAIST 제공.

KAIST 학부생의 연구논문이 뇌신경과학 분야 국제학술지 ‘저널 오브 뉴로사이언스’ 표지 논문으로 선정됐다. 망막 파동이 시각 피질 신경망 회로 구조를 형성하는 원리를 규명한 논문이다.

KAIST는 바이오및뇌공학과 4학년에 재학중인 김진우 학생(22)이 백세범 교수 지도로 수행한 학부생 개별연구 프로젝트에서 두뇌의 시각 피질에서 관측되는 주요 신경망 연결구조 중 하나인 ‘장거리 수평 연결’이 두뇌 발생 초기에 형성되는 원리를 규명한 연구논문이 ‘저널 오브 뉴로사이언스’ 19일자 표지 논문으로 선정됐다고 21일 밝혔다.

연구팀은 이번 연구를 통해 어린 포유류 동물이 눈을 뜨기 전 두뇌 발생 초기 시각적인 학습이 전혀 이뤄지지 않은 상태에서 망막 내 신경세포들의 자발적인 활동에서 발생하는 ‘망막 파동’이 두뇌 시각피질의 신경세포를 특정한 공간 패턴으로 자극하고 이를 통해 시각 정보 처리에서 중요한 역할을 담당하는 ‘장거리 수평 연결’을 형성한다는 사실을 규명했다.

망막 파동은 포유류 초기 발달 과정의 망막에서 나타나며 신경절 세포들이 차례대로 발화하며 파도와 같은 파형으로 활동 패턴이 확산하는 현상이다.

저널오브뉴로사이언스 표지. KAIST 제공.

포유로의 시각 피질에서는 신경세포들이 외부 자극 특정 요소에만 선택적으로 반응하는 ‘신경 선택성’이라는 특성을 보인다. 이러한 특성을 갖는 세포들은 공간적으로 멀리 떨어져 있어도 ‘장거리 수평 연결’이라는 특별한 상호 연결망 회로로 이어져 있다. 이 구조는 포유류의 시각 인지기능에 중요한 역할을 하는 것으로 여겨졌지만 이러한 회로가 뇌의 발생 초기 단계에서 외부 시각 정보에 의한 자극 없이 어떻게 자발적으로 발생하는지 명확히 알져지지 않았다.

백세범 교수 연구팀은 망막 내 신경망 구조를 모델화하고 망막 파동 패턴이 시각 피질 내 구조 형성에 미치는 영향을 시뮬레이션했다. 그 결과 연구팀은 망막의 신경절에서 자발적으로 발생하는 망막 파동이 시각 피질로 전달되는 과정에서 형성되는 선택적 활동 패턴이 시각 피질 내 장거리 연결 구조를 만들어낸다는 사실을 밝혔다. 동물실험을 통해 초기 시각 피질의 특징적인 신경 활동 패턴을 재현하는 데도 성공했다.

논문의 제1저자인 김진우 학생은 “이번 연구를 토대로 새로운 형태의 인공신경망 연구에도 도움이 될 것으로 기대된다”고 말했다.