연구
< (왼쪽부터) KAIST 생명과학과 신은주 박사, 존스 홉킨스 대학교 신경과학과 이대열 교수, KAIST 생명과학과 정민환 교수, KAIST 뇌인지과학과 백세범 교수 >
두뇌가 수행해야 하는 여러 가지 기능 중에는 감각 정보 처리와 같이 순간적인 것에서부터 기억과 같이 상대적으로 긴 시간 동안 그 내용이 보존되어야 하는 것도 있다. 한미 공동 연구진은 이런 뇌 신경 활동이 이루어지는 다양한 시간적 스케일에 대한 보편적 패턴을 파악하여 뇌의 다양한 기능을 가능하게 하는 신경망 회로 구조를 이해하는 길을 열었다.
우리 대학 뇌인지과학과 백세범 교수와 생명과학과 정민환 교수, 존스홉킨스대학교 이대열 교수 연구팀이 다양한 포유류 종의 뇌에서 공통적으로 나타나는 영역별 신경 활동의 시간적 스케일 패턴을 확인함으로써 뇌가 정보를 표상하는 원리를 이해하는 데에 한 걸음 더 나아갔다고 24일 밝혔다.
인간의 뇌에서 가장 두드러지는 영역인 대뇌피질은 시각피질과 같이 감각 정보를 담당하는 영역부터 전전두엽 피질과 같이 고등 인지를 담당하는 영역까지 순차적인 위계 구조로 되어있다.
연구팀은 신경 활동의 시간적 스케일이 위계가 낮은 영역에서부터 위계가 높은 영역에 이르기까지 점점 증가하는 것을 관측했다. 즉, 뇌의 상위 영역으로 갈수록 정보처리를 위해 상대적으로 긴 시간적 스케일을 사용하는 신경 활동이 나타난다는 것이다.
또한 연구팀은 이와 같은 경향성이 영장류와 설치류에서 공통적으로 존재함을 확인함으로써, 포유류의 뇌 진화에서 다양한 과제 처리를 위한 시간적 스케일이 중요한 공통의 변수였음을 밝혀냈다.
한편 시상(thalamus)*과 같은 영역은 대뇌피질과 강하게 연결돼 있음에도 시간적 스케일의 위계적 변화가 나타나지 않는다는 점도 알아냈다.
*시상: 대뇌 깊은 곳에 위치한 타원형의 핵 집합체로서, 감각 정보를 대뇌피질로 전달하는 ‘중계국’ 역할을 함. 시상을 통해 들어온 정보는 대뇌피질의 각 부분으로 전달되어, 인식·판단·조절과 같은 더 높은 수준의 처리 과정을 거치게 됨.
이전의 연구들은 인간, 원숭이, 설치류 뇌의 대뇌피질 영역에서 자발적 신경 활동의 시간 스케일이 해부학적 계층이 높을수록 길어지는 상관관계를 보였다. 그러나 실제로 정보를 표상하는 활동을 할 때 시간 스케일이 어떻게 달라지는지는 알려진 바가 없었다.
< 그림 1. 영장류와 설치류 뇌에서 뉴런의 자발적 활동과 정보 표상 활동의 시간 스케일이 여러 대뇌피질 영역에 걸쳐 계층적으로 증가하는 것을 보여주는 그림 >
연구팀은 의사 결정 행동을 수행하고 있는 원숭이, 쥐(rat), 생쥐(mouse)의 뇌에서 측정한 신경 활동을 자발적 요소와 행동 관련 요소로 나눠 두 유형의 시간 스케일의 변화가 여러 대뇌피질 영역에서 계층이 높아질수록 길어지는 양상을 나타내는지 분석했다. 나아가 대뇌피질과 직접적인 연결이 존재하는 영역인 시상까지 분석의 범위를 확장하여 신경 활동의 시간적 스케일을 비교했다.
연구 결과, 연구팀은 뉴런의 자발적 활동뿐 아니라 의사 결정 행동 관련 활동의 시간 스케일 역시 세 종의 대뇌피질에서 상위 정보 처리 영역으로 올라갈수록, 즉 해부학적 계층이 높아질수록 길어지는 반면, 뇌의 다른 영역인 시상에서의 신경 활동 시간 스케일은 대뇌피질의 신경 활동의 시간보다 전반적으로 짧고, 계층적 변화의 양상이 없는 것을 확인했다.
백세범 교수는 “포유류의 뇌가 정보를 처리하는 원리를 이해하는데 중요한 단서인 신경 활동의 시간적 스케일이 해부학적 계층에 따라 변하는 보편적인 구조적 패턴을 밝힘으로써, 뇌의 다양한 기능을 구현하기 위해 필요한 신경망 구조에 대한 구체적인 설명이 가능해질 것으로 기대된다”고 말하며 “이번 성과는 연구진들의 밀접한 국제적 협력을 통한 결과이기에 더 뜻깊다”고 덧붙였다.
< 그림 2. 포유류 뇌에서 정보 표상의 시간적 스케일의 중요성을 의미하는 일러스트레이션 >
이번 연구는 미국국립과학원회보 (Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)에 지난 13일 게재됐다. (논문명: Hierarchical gradients of multiple timescales in the mammalian forebrain, DOI: 10.1073/pnas.2415695121)
한편 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야기초연구사업, KAIST 특이점교수 사업 및 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐다.
-
연구 재발률 높은 젊은 층 뇌암의 ‘진짜 시작점’ 찾았다
특정 유전자(IDH)에 이상이 생겨 발생하는 IDH-돌연변이 신경교종은 50세 이하 젊은 성인에게 가장 흔한 악성 뇌종양으로, 재발률이 높아 치료가 어려운 난치성 뇌암이다. 그동안 치료는 눈에 보이는 종양 덩어리를 제거하는 데 집중돼 왔다. 그러나 국내 연구진이 이 종양이 덩어리가 보이기 훨씬 이전부터 정상 뇌 속 세포에서 이미 시작되고 있었다는 사실을 세계 최초로 밝혀내며, 조기 진단과 재발 억제 치료의 새로운 길을 열었다. 우리 대학은 의과학대학원 이정호 교수와 연세대학교(총장 윤동섭) 세브란스병원 신경외과 강석구 교수 공동연구팀이 IDH-돌연변이 신경교종이 정상 뇌조직에 존재하는 교세포전구세포(Glial Progenitor Cell, GPC)에서 기원한다는 사실을 세계 최초로 규명했다고 9일 밝혔다. * 교세포전구세포(GPC): 정상 뇌에도 존재하는 세포로, 유전자 변이가 생기면 악성 뇌종양의 출발점이 될 수 있는 세포 연구팀은 광범위 절제 수술을 통해 확보한 종양 조
2026-01-09 -
연구 ‘뇌처럼 배우는 AI’ 가능성 열렸다...인간 전두엽의 학습 비밀 규명
사람은 갑작스러운 변화가 닥쳐도 금세 계획을 새로 세우고 목표를 조정하는 안정성과 유연성을 동시에 갖추고 있다. 그러나 이세돌 기사와 대국을 펼친 알파고를 비롯해 로봇 분야에 널리 사용되는 모델 프리 AI는 이러한 두 능력을 함께 구현하지 못한다. 우리 대 연구팀은 그 이유가 전두엽의 독특한 정보 처리 방식에 있으며, 이 원리가 ‘뇌처럼 유연하고 안정적인 AI’를 만들 핵심 열쇠가 될 수 있음을 규명했다. 우리 대학은 뇌인지과학과 이상완 교수 연구팀이 IBM AI 연구소와 함께 인간의 뇌가 목표 변화와 불확실한 상황을 처리하는 방식을 규명하고, 차세대 AI 강화학습이 나아가야 할 방향을 제시했다고 14일 밝혔다. 연구팀은 기존 강화학습 모델들이 목표가 바뀌는 상황에서는 안정성이 떨어지고, 환경이 불확실하면 유연성이 부족해지는 한계가 있지만 인간은 두 요소를 동시에 달성한다는 점을 집중했다. 연구팀은 이 차이가 전두엽이 정보를 표현하는 방식 자체에서 비롯된
2025-12-15 -
연구 세상에 없던 최소형 완전 무선 뇌 임플란트 구현하다
인간의 뇌에는 약 1,000억 개의 뇌세포가 존재하며, 이들이 주고받는 화학·전기 신호는 대부분의 정신 기능을 만들어 낸다. 이러한 신호를 정밀하게 읽어내기 위한 뉴럴 임플란트 기술은 신경퇴행성 질환 연구와 치료에 필수적이다. 우리 대학과 국제 연구진이 뉴럴 임플란트는 단순한 소형화·경량화를 넘어, 기존에 가능하리라 예상만 되었던 완전 무선 초소형 임플란트를 실제로 구현하는데 성공했다. 우리 대학은 신소재공학과 겸직교수이자 난양공대(NTU) 전자과 소속인 이선우 교수 연구팀이 미국 코넬대 알로이샤 모나(Alyosha Molnar) 교수팀과 공동으로, 소금 결정보다도 작은 100 마이크로미터(µm) 이하 초소형 무선 뉴럴 임플란트 ‘MOTE(Micro-Scale Opto-Electronic Tetherless Electrode)’를 개발했다고 27일 밝혔다. 연구팀은 이 임플란트를 실험용 생쥐의 뇌에 이식해 1년간 안정적으
2025-11-27 -
연구 AI가 어떻게 생각하는가?...의사결정 내부 구조 첫 시각화
딥러닝 기반 이미지 인식 기술이 빠르게 고도화되고 있지만, AI가 내부에서 어떤 기준으로 이미지를 보고 판단하는지는 여전히 명확히 설명하기 어려운 영역으로 남아 있다. 특히 대규모 모델이 어떤 개념(예: 고양이 귀, 자동차 바퀴 등)을 어떻게 조합해 결론을 내리는지 분석하는 기술은 오랫동안 해결해야 할 과제로 제기돼 왔다. 우리 대학은 김재철AI대학원 최재식 교수 연구팀이 AI가 어떤 근거로 판단하는지를 인간이 이해할 수 있도록 보여주는‘설명가능성(XAI, Explainable AI)’분야에서, 모델 내부의 개념 형성 과정을 회로(circuit) 단위로 시각화하는 새로운 XAI 기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 이번 연구는 ‘AI가 어떻게 생각하는지’를 구조적으로 들여다볼 수 있도록 한 중요한 진전으로 평가된다. 딥러닝 모델 내부에는 인간의 뇌처럼 ‘뉴런(Neuron)’이라는 기본 계산 단위가 존재한다. 뉴런은
2025-11-26 -
연구 '우울증' 마음의 병만이 아니다...KAIST가 찾은 '면역-뇌 연결고리'
주요우울장애는 기분 저하와 흥미 상실을 특징으로 하며 학업·직장생활의 어려움뿐 아니라 국내 자살 문제의 주요 원인으로 꼽힌다. 그러나 아직 객관적으로 진단하거나 치료에 적용할 수 있는 생체지표가 없는 실정이다. 이런 가운데 우리 대학 연구팀이 우울증은 단순한 마음이나 뇌의 문제만이 아니라, 몸 전체의 면역 반응 이상과 깊이 연결되어 있고 그 면역 이상이 뇌의 기능에도 영향을 미쳐 ‘면역-신경 축’의 불균형이 우울증의 핵심 기전임을 밝혀내며 우울증 치료에 새로운 생체지표 발굴과 신약 개발로 이어질 가능성을 열었다. 우리 대학은 의과학대학원 한진주 교수 연구팀이 인하대학교 의과대학 김양식 교수(KAIST 의과학대학원 박사) 연구팀과 협력해, 일반적 우울증과 반대로 나타나는 ‘비전형 양상’(과다수면·과다식이 등)과 현실 판단 능력이 흐려지는 ‘정신증상’(환청, 과도한 죄책감·자기비난
2025-11-20