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마약 중독 재발 비밀 찾았다...뇌 속 ‘중독 회로’ 발견
마약 중독은 약물을 끊은 뒤 오랜 시간이 지나도 사소한 자극에 다시 갈망이 되살아나 재발 위험이 매우 높다. 그동안 이러한 현상은 충동을 조절하는 전전두엽 피질(PFC)의 기능 저하 때문으로 여겨졌다. 하지만 최근 국내외 공동 연구진은 중독 재발의 원인이 단순한 뇌 기능 저하가 아니라 특정 신경세포 회로의 불균형이라는 사실을 밝혀냈다.
우리 대학은 뇌인지과학과 백세범 석좌교수와 미국 캘리포니아 주립 샌디에이고 대학(UCSD) 임병국 교수 연구팀이 전전두엽 내 특정 억제성 신경세포가 코카인 중독 행동을 조절하는 핵심 원리를 규명했다고 9일 밝혔다.
특히 연구팀은 뇌에서 다른 신경세포의 활동을 억제해 신경 신호의 균형을 조절하는 파발부민 양성(Parvalbumin-positive, PV) 억제성 신경세포에 주목했다. 이 세포는 뇌의 흥분 신호를 조절하는 일종의 ‘브레이크 게이트(brake gate)’ 역할을 하며, 금단 이후 나타나는 마약 탐색 행동을 결정짓는 중요한 요소임을 확인했다.
우리 뇌의 전전두엽 피질(PFC)은 흥분 신호와 억제 신호가 균형을 이뤄야 충동을 억제하는 ‘브레이크’ 기능을 수행할 수 있다. 연구팀은 만성 약물 노출이 이러한 균형을 어떻게 무너뜨리는지 확인하기 위해 쥐를 대상으로 코카인 투여 실험을 진행했다. 이 과정에서 전전두엽 내 억제성 신경세포들이 언제 활성화되고 하위 뇌 영역으로 어떻게 신호를 보내는지 추적했다.
실험 결과, 전전두엽 피질 내 억제성 신경세포의 약 60~70%를 차지하는 파발부민(Parvalbumin, PV) 세포는 쥐가 코카인을 찾으려 할 때 활발하게 작동했다. 하지만 더 이상 약물을 찾지 않도록 훈련하는 ‘소거 훈련(extinction training)’을 진행하자 이 세포의 활동은 눈에 띄게 줄어들었다. 이는 PV 세포의 활동 양상이 중독에 의해 고정되는 것이 아니라 소거 과정을 통해 다시 조절될 수 있음을 보여준다.
연구팀은 신경 활동을 인위적으로 조절해 PV 세포의 활동을 억제하자 쥐의 코카인 탐색 행동이 크게 감소하는 것을 확인했다. 반대로 이 세포를 활성화하면 소거 과정 이후에도 약물을 다시 찾는 행동이 지속됐다. 이러한 효과는 설탕물과 같은 일반적인 보상에는 나타나지 않았으며, 마약 중독 행동에서만 특이적으로 관찰됐다. 이는 같은 억제성 신경세포인 소마토스타틴(SOM) 세포에서는 나타나지 않는 현상으로, 파발부민(PV) 세포가 마약 중독 행동을 선택적으로 조절한다는 점을 보여준다.
연구팀은 이러한 PV 세포의 조절 작용이 어떤 뇌 회로를 통해 이루어지는지도 확인했다. 전전두엽에서 시작된 신호는 보상과 관련된 핵심 뇌 영역인 복측피개영역(Ventral Tegmental Area, VTA)의 보상회로로 전달되며, 이 경로가 마약을 다시 찾을지 말지를 결정하는 중독 행동 조절의 핵심 통로로 나타났다. 이때 PV 신경세포는 이 신호의 흐름을 조절해 도파민(Dopamine) 신호에 영향을 주며, 중독 행동을 유지할지 억제할지를 결정하는 ‘조절 스위치’ 역할을 한다.
즉, 중독 재발은 전전두엽 전체의 기능 저하 때문이 아니라 특정 신경세포인 파발부민(PV) 신경세포가 전전두엽과 보상 회로를 잇는 신경 경로의 조절여부에 따라 결정되는 현상이라는 것을 밝혀낸 것이다.
백세범 석좌교수는 “이번 연구는 약물 중독이 특정 신경세포와 하위 신경 회로의 조절 균형이 붕괴되면서 나타나는 회로 수준의 문제임을 보여준다”며 “파발부민(PV) 세포가 중독 행동의 ‘게이트’ 역할을 한다는 발견은 향후 정밀 표적 치료 전략 개발에 중요한 단서가 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 UCSD 정민주 박사가 1저자로, UCSD 임병국 교수와 KAIST 백세범 석좌교수가 공동 교신저자로 연구를 주도하였으며, 신경과학 분야 최고 권위의 학술지인 뉴런(Neuron) 에 2월 26일 온라인 게재되었다.
※ 논문명: Distinct Interneuronal Dynamics Selectively Gate Target-Specific Cortical Projections in Drug Seeking, DOI: 10.1016/j.neuron.2026.01.002)
한편 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.03.09 조회수 148 -
'뇌를 닮은 AI’ 개발.. 예측이 틀려도 한번 더 생각한다
인공지능은 이제 바둑을 두고, 그림을 그리고, 사람처럼 대화까지 한다. 하지만 결정적인 차이가 있다. AI는 인간의 뇌보다 훨씬 많은 전기를 써야 작동한다는 점이다. 과학자들이 오랫동안 던져온 질문은 이것이다. “뇌는 어떻게 이렇게 적은 에너지로도 똑똑하게 학습할 수 있을까?”우리 대학 연구진이 그 답에 한 걸음 다가섰다.
우리 대학은 뇌인지과학과 이상완 교수 연구팀이 인간 뇌의 학습 원리를 딥러닝에 적용해, 깊은 인공지능 모델도 안정적으로 학습시키는 새로운 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
우리 뇌는 세상을 수동적으로 받아들이지 않는다. 현재 벌어지는 일을 단순히 인식하는데서 그치지 않고‘다음에 무슨 일이 일어날까?’를 먼저 예측하고, 실제 결과가 다르면 그 차이(오차)를 줄이는 방향으로 스스로를 수정한다. 바둑에서 상대의 다음 수를 예상했다가 빗나가면 전략을 바꾸는 것과 비슷하다. 이 같은 정보처리 방식을 ‘예측 부호화(Predictive Coding)’라고 한다.
과학자들은 이 원리를 AI에 적용하려 했지만, 난관이 있었다. 신경망이 깊어질수록 오차가 특정 부위에 몰리거나 아예 사라져 성능이 떨어지는 문제가 반복됐기 때문이다.
연구팀은 그 원인을 수학적으로 규명하고 새로운 해법을 제시했다. 핵심은 단순하다. AI가 결과만 예측하는 것이 아니라, ‘예측 오차가 앞으로 어떻게 변할지’까지 다시 예측하도록 만든 것이다. 연구팀은 이를 ‘메타 예측(Meta Prediction)’이라 설명한다. 쉽게 말해, ‘틀림을 한 번 더 생각하는 AI’다. 이 방식을 적용하자, 깊은 신경망에서도 학습이 멈추지 않고 안정적으로 진행됐다.
실험 결과도 인상적이다. 총 30가지 실험 중 29개에서, 현재 AI의 표준 학습법인 ‘역전파(Backpropagation)’보다 높은 정확도를 기록했다. 역전파는 AI가 ‘틀린 만큼 거꾸로 되돌아가며 고치는’ 현재의 대표적 학습 방법이다.
기존 AI 학습방식(역전파)는 모든 층이 서로 긴밀하게 연결돼 있어, 전체 네트워크를 한 번에 계산하고 한 번에 수정해야 하지만 이 방법은 이 방식은 뇌처럼 분산적·부분적으로 학습해도 큰 AI 모델을 잘 학습시킬 수 있음을 입증한 것이다.
이번 기술은 전력 효율이 중요한 뉴로모픽 컴퓨팅, 환경에 적응해야 하는 로봇 AI, 기기 내부에서 작동하는 엣지 AI 등 다양한 분야로 확장될 것으로 기대된다.
이상완 석좌교수는 “뇌의 구조를 단순히 모방한 것이 아니라, 뇌의 학습 원리 자체를 AI가 따르도록 만든 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “뇌처럼 효율적으로 배우는 인공지능의 가능성을 열었다”고 말했다.
이번 연구는 하명훈 박사가 제1저자, 이상완 교수가 교신저자로 참여했으며, 인공지능 국제학회 ICLR 2026(International Conference on Learning Representations)에 채택돼 1월 26일 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Stable and Scalable Deep Predictive Coding Networks with Meta Prediction Errors, 논문 원본: https://openreview.net/forum?id=kE5jJUHl9i¬eId=e6T5T9cYqO
본 연구는 과학기술정보통신부·정보통신기획평가원 디지털분야글로벌연구지원사업(마이크로소프트연구소 공동연구), 삼성전자 SAIT NPRC 사업, SW스타랩 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.03.03 조회수 404 -
KAIST–대교, 메타융합관‘인지 향상 연구센터 라운지’개소
우리 대학은 지난 10일(토) 대전 본원 메타융합관에서 대교와 공동으로 조성한 ‘KAIST–대교 인지 향상 연구센터 라운지’ 개소식을 가졌다.
이번 라운지는 대교가 연구 협력의 일환으로 공간 조성을 현물 기부하며 마련된 것으로, KAIST와 대교가 공동으로 추진해 온 뇌 발달 및 인지기능 향상 연구를 보다 체계적으로 운영하고, 연구 성과를 사회와 공유하기 위한 거점 공간으로 조성됐다. KAIST는 본 행사를 통해 그간의 연구 협력 성과를 소개하고, 미래 교육과 뇌과학의 방향성을 함께 모색하는 자리를 가졌다.
이날 행사에는 이균민 교학부총장, 김대수 생명과학기술대학장을 비롯한 KAIST 주요 보직자와 강호준 대교 대표이사 등 양 기관 관계자들이 참석해 라운지 개소를 축하했다.
우리 대학은 지난 2023년 대교와 산학협력 연구 업무협약(MOU)을 체결한 이후, 뇌인지과학을 기반으로 영유아부터 성인, 시니어에 이르는 전 생애주기 인지기능 향상과 정신 건강 연구를 공동으로 수행하고 있으며, 연구 결과를 교육 콘텐츠와 솔루션으로 확장하는 협력을 이어오고 있다.
대교 관계자는 “인지 향상 연구센터 라운지는 양 기관이 함께 축적해 온 연구 협력의 상징적 공간으로, 이 곳에서 고객과 직접 소통하며 연구 성과를 공유할 수 있어 의미가 크다”며, “앞으로도 대교는 카이스트와의 협력을 지속적으로 확대해 과학적이고 체계적인 교육의 가치를 입증해 나가겠다”고 밝혔다.
이균민 교학부총장은 “이번 라운지 개소는 대교의 기부를 통해 산학 협력 연구를 위한 공간이 조성됐다는 점에서 의미가 크다”며“KAIST는 이 공간을 기반으로 뇌인지과학 연구 성과를 사회와 공유하고, 교육 현장에 기여할 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.
2026.01.12 조회수 799 -
‘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 비롯된다고 보았다.
뇌 기능 MRI(fMRI) 실험, 강화학습 모델, AI 분석 기법을 활용한 결과, 인간 전두엽은 ‘목표 정보’와 ‘불확실성 정보’를 서로 간섭하지 않도록 분리해 저장하는 특별한 구조를 가지고 있음이 밝혀졌다. 이런 구조가 뚜렷할수록 사람은 목표가 바뀌면 빠르게 전략을 바꾸고, 환경이 불확실해도 안정적인 판단을 유지했다. 연구팀은 이를 통신 기술의 멀티플렉싱(multiplexing)처럼 서로 다른 정보를 한 번에 처리하는 특징을 갖는다는 점도 확인했다.
이렇게 인간의 전두엽은 목표가 바뀔 때마다 그 변화를 민감하게 추적해 의사결정의 유동성을 확보하는 ‘채널’이 있고, 동시에 또 다른 채널을 통해 환경의 불확실성을 분리해 안정적인 판단을 유지한다.
흥미로운 점은 전두엽이 첫 번째 채널을 통해 단순히 학습을 실행하는 수준을 넘어서, 두 번째 채널을 활용하여 상황에 따라 어떤 학습 전략을 쓸지 스스로 고르는 역할까지 한다는 것이다.
연구팀은 전두엽이 단순히 학습을 실행하는 수준을 넘어, 상황에 따라 어떤 학습 전략을 사용할지 스스로 선택하는 ‘메타학습 능력’을 갖고 있다는 점을 보여줬다.
즉, 전두엽은 무엇을 배울지뿐 아니라 어떻게 배울지도 학습하는 구조를 가지고 있으며, 이것이 인간이 끊임없이 바뀌는 상황에서도 흔들리지 않는 이유다.
이 연구는 개인의 강화학습·메타학습 능력 분석, 맞춤형 교육 설계, 인지 능력 진단, 인간-컴퓨터 상호작용 등 다양한 분야에 활용될 수 있으며, 뇌 기반 표현 구조를 활용하면 ‘뇌처럼 생각하는 AI’기술로서 AI가 인간의 의도와 가치를 더 잘 이해해 위험한 판단을 줄이고 사람과 더 안전하게 협력하는 기술로 이어질 수 있다.
연구 책임자인 이상완 교수는 “이번 연구는 변화하는 목표를 유연하게 따라가면서도 안정적으로 계획을 세우는 뇌의 작동 원리를 AI 관점에서 규명한 성과이며, 이러한 원리가 앞으로 AI가 사람처럼 변화에 적응하고 더 안전하고 똑똑하게 학습하는 차세대 AI의 핵심 기반이 될 것”이라고 말했다.
이 연구는 성윤도 박사과정 학생이 1 저자, IBM AI 연구소 마티아 리고티(Mattia Rigotti) 박사가 2저자로 참여했으며, 이상완 교수가 교신저자를 맡았다. 연구 결과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications)‘ 11월 26일 자 게재됐다.
(논문명: Factorized embedding of goal and uncertainty in the lateral prefrontal cortex guides stably flexible learning) DOI: 10.1038/s41467-025-66677-w)
특히 이번 연구는 과학기술정보통신부 한계도전 R&D 프로젝트 사업 지원을 받아 수행됐다.
2025.12.15 조회수 1140 -
면역 신호, 뇌 감정 회로 직접 조절..불안 행동 유발 기전 최초 규명
우리 대학 뇌인지과학과 권정태 교수가 MIT, 하버드 의과대학과의 공동연구를 통해, 면역 반응에서 분비되는 사이토카인이 뇌 감정 회로에 직접 작용하여 불안 행동을 조절한다는 사실을 세계 최초로 규명했다.
염증성 사이토카인 IL-17A와 IL-17C가 정서를 조절하는 것으로 알려진 편도체의 특정 뉴런에 작용해 흥분성을 증가시킴으로써 불안을 유발하며, 반대로 항염증성 사이토카인 IL-10은 같은 뉴런에서 흥분성을 억제해 불안 완화에 기여하는 양방향 조절 메커니즘을 실험적으로 입증했다.
연구팀은 쥐 모델에서 피부 염증을 유발한 후, 면역치료제 (IL-17RA 항체)를 투여해 피부 증상은 완화되었으나 불안 수준이 높아진 현상을 관찰하였다. 이는 IL-17 계열 사이토카인의 순환 농도가 높아지며 편도체 뉴런이 과활성화된 데 따른 결과로 분석됐다.
연구진은 또한, 항염증 사이토카인 IL-10이 같은 편도체 뉴런의 흥분성을 낮추는 작용을 하며 불안 반응을 완화할 수 있음을 밝혀냈다.
이번 연구는 감염이나 염증과 같은 면역 반응이 단순한 신체 반응을 넘어서, 뇌 회로 수준의 정서 조절 기능에 직접적으로 영향을 미친다는 사실을 최초로 입증한 사례다. 정서와 면역이 뇌 속 동일한 뉴런을 통해 연결되어 작동할 수 있다는 점에서, 면역-정서-행동을 연결하는 생물학적 메커니즘을 제시한 매우 중요한 성과다.
이번 연구 결과는 올해 4월 17일 국제학술지 Cell에 게재됐다.
논문 정보
- 논문명: Inflammatory and anti-inflammatory cytokines bidirectionally modulate amygdala circuits regulating anxiety
- 게재지: Cell (188권, 2190–2202), 2025년 4월 17일
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.005
- 교신저자: 글로리아 최 교수 (MIT), 허준 교수 (Harvard Medical School),
2025.07.24 조회수 2660 -
"파킨슨병을 편집하다” 염증 RNA 편집 효소 세계 최초 발견
파킨슨병(PD)은 알파시누클린(α-synuclein) 단백질이 뇌세포 내에서 비정상적으로 응집되어 신경세포를 손상시키는 퇴행성 신경질환이다. KAIST 연구진은 파킨슨병의 핵심 병리 중 하나인 신경염증 조절에 있어 RNA 편집(RNA editing)이 중요한 역할을 한다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다.
우리 대학 뇌인지과학과 최민이 교수 연구팀이 영국 UCL 국립신경전문병원 연구소 및 프랜시스 크릭 연구소와의 공동 연구를 통해, 뇌를 보호하고자 염증 반응을 일으키는 교세포(astrocyte)에 대해 RNA 편집 효소인 에이다원(ADAR1)이 면역 반응을 조절하는 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀내고 파킨슨병의 병리 진행에 핵심적인 역할을 한다는 사실을 입증했다.
최민이 교수 연구팀은 뇌 면역세포의 염증반응을 알아보고자 파킨슨 환자에게서 유래한 줄기세포를 이용해 뇌의 신경세포를 돕는 교세포와 신경세포로 구성된 세포 모델을 만들고, 파킨슨병의 원인이 된다고 알려진 알파시뉴클레인(α-synuclein) 응집체를 처리한 뒤, 뇌 면역세포의 염증 반응이 어떻게 되는지 분석했다.
그 결과, 알파시뉴클레인 응집체 초기 병리형태인 알파시뉴클레인 단량체(oligomer)가 교세포 내 세포가 위험을 감지하는 센서처럼 작동하는 통로(Toll-like receptor) 경로 및 바이러스나 병원균과 싸우는 면역 신호 네트워크인 인터페론 반응 경로를 활성화하였다. 이 과정에서 RNA 편집 효소인 에이다원이 발현하면서 기능과 구조 등 단백질 성질이 바뀌는 아이소폼으로 변형되는것을 확인했다.
특히, 바이러스 감염시 면역 반응을 조절하기 위해 기능을 발휘하던 에이다원이 수행하는 RNA의 편집 활동이 ‘A(아데노신)’를 ‘I(이노신)’으로 바꾸는, 일종의 유전자 명령 수정 작업인 ‘A-to-I RNA 편집’이 일어난다. 이는 RNA 편집 활동이 정상적인 상황이 아니라, 염증을 일으키는 유전자들에 비정상적으로 집중되어 있다는 걸 발견했다. 이 현상은 환자 유래 줄기세포 분화 신경세포에서뿐만 아니라 실제 파킨슨병 환자 뇌의 부검 조직에서도 동일하게 관찰되었다.
이는 RNA 편집의 이상 조절이 교세포의 만성 염증 반응을 유도하고, 결과적으로 신경세포 독성과 병리 진행으로 이어질 수 있음을 직접적으로 입증한 것이다.
이번 연구는 신경 면역 세포인 교세포 내 RNA 편집 조절이 신경염증 반응의 핵심 기전이라는 사실을 새롭게 밝혔다는 데 의의가 크다. 특히 에이다원이 파킨슨병 치료의 새로운 타깃 유전자로 작용할 수 있음을 제시했다는 점에서 주목된다.
또한, 환자 맞춤형 유도 줄기세포 기반의 정밀의학적 뇌 질환 모델을 통해 실제 환자의 병리 특성을 반영한 점도 주목된다.
최민이 교수는 “이번 연구는 단백질 응집으로 인한 염증 반응의 조절자가 RNA 편집이라는 새로운 층위에서 작동함을 입증한 것으로, 기존의 파킨슨병 치료 접근과는 전혀 다른 치료 전략을 제시할 수 있다”고 밝혔다. 이어 “RNA 편집 기술은 신경염증 치료제 개발의 중요한 전환점이 될 수 있을 것”이라고 강조했다.
이번 연구에는 최민이 교수가 제1 저자로 참여했으며 사이언스 어드밴스드(Science Advances)에 4월 11일 자로 게재되었다.
※ 논문 제목: Astrocytic RNA editing regulates the host immune response to alpha-synuclein, Science Advances Vol11,Issue15 DOI:10.1126/sciadv.adp8504
※ 주저자: Karishma D’Sa(UCL, 제1저자), Minee L. Choi(KAIST, 제1저자), Mina Ryten(UCL, 교신저자), Sonia Gandhi(크릭 연구소, 캠브리지 대학, 교신저자)
이번 연구는 한국연구재단의 뇌과학선도융합, 우수신진연구사업과 KAIST의 대교 인지 향상 프로그램의 지원을 받아 수행되었다.
2025.04.28 조회수 7781 -
백세범 교수, 사이언스 어드밴시스 부편집장 임명
우리 대학 뇌인지과학과 백세범 교수가 세계적 권위의 과학 학술지인 사이언스 어드밴시스 (Science Advances)의 신경과학 (Neuroscience) 분과 부편집장(Associate Editor)으로 임명됐다고 14일 밝혔다.
이는 계산 신경과학 기반의 뇌 연구를 선도하고 있는 연구자인 백세범 교수의 탁월한 학문적 영향력과 학술적 소통 역량이 세계적으로 인정받은 성과다.
백세범 교수는 신경과학의 난제 중 하나였던 시각피질 뇌 지도 발생의 원리*를 세계 최초로 밝힌 이래, 지난 10여 년간의 연구를 통해 독창적인 이론 연구의 전문성을 인정받고 있다.
*시각피질 뇌 지도 발생의 원리: 포유류의 시각피질에서는 서로 다른 시각 정보(예: 색상, 방향 등)에 선택적으로 반응하는 신경세포들이 일정한 패턴을 이루며 배치되어 있는데 이를 기능성 뇌 지도(functional map)라고 함. 이 연구에서는 수학적 모델에 기반한 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 망막에 있는 신경세포들이 매우 단순한 물리적 상호작용에 따라 스스로 규칙적인 배열을 형성할 수 있으며 이렇게 형성된 구조가 시각피질에 투영되면서 다양한 기능성 뇌 지도가 만들어진다는 것을 설명하였음.
사이언스 어드밴시스는 미국 과학 진흥 협회(AAAS)가 발행하는 사이언스(Science) 저널의 온라인 자매지로, 과학 전 분야에 걸친 영향력 있는 연구를 다룬다. 2024년 기준 게재 승인 비율(acceptance rate)이 8.2%에 불과할 정도로 높은 수준의 연구 결과를 요구하며, 엄격한 검토 과정을 거친다.
백 교수는 신경과학 분과에서 연구 논문의 심사와 편집 업무에 참여하며, 전 세계 연구자들에게 중요한 과학적 발견을 전파하는 데 핵심적인 역할을 수행한다.
백 교수는 국내 1세대 계산신경과학자로서 이론적 모델 기반의 뇌 연구를 통해 신경과학의 다양한 현상들을 체계적으로 연계하여 설명하는 계산신경과학분야를 개척하고 있다.
최근에는 뇌신경망과 인공신경망의 비교에 기반한 인지 지능 발생 이론 연구들을 진행하며, 인간과 동물의 지능, 그리고 인공지능을 하나의 큰 틀에서 이해하려는 연구를 활발히 진행하고 있다.
백 교수는 그동안 스프링거-네이쳐(Springer-Nature)와 프론티어스(Frontiers) 그룹에서 발행하는 신경과학 저널들의 부편집장 및 편집위원으로 활동해 왔다. 2021년에는 KAIST 특이점 교수(Singularity Professor)에 임명되었으며, 2024년부터는 한국계산뇌과학회(CBrain) 회장직을 맡아 학회를 이끌고 있다.
백세범 교수는 “KAIST 교수진으로서 권위 있는 학술지의 편집위원으로 활동하게 되어 매우 기쁘며, 앞으로 뇌신경과학 분야의 다양한 연구 결과들의 심사 및 출판 과정을 진행하면서, 전 세계 연구자들과 교류를 통해 뇌신경과학 연구의 발전과 방향 설정에 기여하고 싶다”고 소감을 전했다.
2025.03.14 조회수 5138 -
스스로 가설을 세워 검증하는 뇌 기반 AI 기술
뇌의 맥락 추론 방식이 챗지피티 같은 대규모 인공지능 모델과 어떻게 다를까? 우리 연구진이 ‘뇌처럼 생각하는 인공지능’기술로서 과도한 자신감을 보이는 인공지능의 할루시네이션(Hallucination) 현상을 완화하거나 인간이나 동물과 유사하게 스스로 가설을 세워 검증하는 신개념 인공지능 모델을 개발하는데 성공했다.
우리 대학 뇌인지과학과 이상완 교수(신경과학-인공지능 융합연구센터장)와 생명과학과 정민환 교수(IBS 시냅스 뇌질환 연구단 부연구단장) 연구팀이 동물이 가설을 세워 일관된 행동 전략을 유지함과 동시에, 본인의 가설을 스스로 의심하고 검증하면서 상황에 빠르게 적응하는 새로운 강화학습 이론을 제시하고 뇌과학적 원리를 규명했다고 20일 밝혔다.
현재 상황에 맞게 행동의 일관성과 유동성 사이의 적절한 균형점을 찾아가는 문제를 ‘안정성-유동성의 딜레마(Stability-flexibility dilemma)’라 한다. 이를 위해서는 현재 본인의 판단이 맞는지를 계속 검증하고 수정할 수 있어야 한하는데 뇌과학 및 인공지능 분야에서 다양한 연구가 있었으나 아직까지 완벽한 해법이 알려진 바가 없다.
연구팀은 스스로 세운 가설을 바탕으로 다음 상황을 예측하고 확인하는 행동 패턴을 동역학적으로 프로파일링 할 수 있는 새로운 방식을 고안했고, 이를 바탕으로 전통적인 강화학습 이론과 최신 인공지능 알고리즘 모두 동물의 관련 행동을 제대로 설명하지 못한다는 것을 발견했다.
이어 연구팀은 동물의 현재 상황에 대한 가설을 세우고, 가설의 예측 오류를 바탕으로 행동 전략을 비대칭적으로 업데이트하는 새로운 적응형 강화학습 이론과 모델을 제안했다.
최신 인공지능 모델은 효율적 문제 해결에 집중하다 보니 인간이나 동물의 행동을 잘 설명하지 못하는 경우가 많은 반면, 제안 모델은 예상치 못한 사건에 대한 동물의 행동을 최신 인공지능 모델 대비 최대 31%, 평균 15% 더 잘 예측함을 보였다.
특히, 이 결과는 기존 연구에서 발표된 네 가지 서로 다른 동물 실험 데이터(two-step task, two-armed bandit task, T-maze task, two-armed bandit task with MSN inactivation) 분석을 통해 일관성 있게 재현되었다.
연구팀은 더 나아가 중뇌 기저핵* 선조체**속 중간크기 가시뉴런***이 가설 기반 적응형 강화학습 과정에 관여함을 밝혔다. 직접 경로 가시뉴런들은 예상한 사건을 마주한 경험을, 간접 경로 가시뉴런들은 예상하지 못한 사건을 마주한 경험을 부호화해 행동 전략을 조절함을 보였다.
*기저핵(Basal Ganglia): 대뇌피질, 시상, 뇌간 등 운동 조절 및 학습하는 기능을 담당하는 뇌 부위
**선조체(Striatum): 기저핵의 일부로 가치 평가 및 강화학습 능력과 관련된 부위
***가시뉴런Medium Spiny Neuron, MSN): 선조체의 약 90%를 차지하는 대표적 신경세포로 신경활동을 억제하는 특징을 가지고 있음
본 연구 결과는 뇌의 맥락 추론 방식이 대규모 인공지능 모델과 근본적으로 다르다는 것을 보여준다. 챗지피티(ChatGPT)나 딥시크와 같은 인공지능 모델은 사용자 입력으로부터 맥락 정보를 추정하고 이를 바탕으로 필요한 전문가 시스템에 매칭하며 (딥시크 모델은 강화학습을 사용하여 매칭), 새로운 정보가 들어올 때까지는 이것이 맞다고 가정한다.
이와 달리 뇌는 스스로 추정한 맥락(가설)을 의심하고, 의심이 확인되는 즉시 새로운 맥락을 적극 받아들인다. 이는 과도한 자신감을 보이는 인공지능의 할루시네이션(Hallucination) 현상을 완화하거나 인간과 유사한 추론엔진을 구성할 수 있는 새로운 방향성을 제시한다.
본 연구는 뇌과학-인공지능 융합연구로서, 실제 분야에 널리 활용될 수 있다. 예를 들어, 인간의 동역학적 행동 프로파일링 기술을 이용하면 개개인의 가설 수립, 검증 학습 능력 분석이 가능하므로, 맞춤형 교육 커리큘럼 디자인, 인사 및 인력관리 시스템, 인간-컴퓨터 상호작용 분야에 바로 적용할 수 있다.
제안된 적응형 강화학습 모델은 ‘뇌처럼 생각하는 인공지능’기술로서 인간-인공지능 가치 정렬 (Value alignment) 문제 해결에 활용될 수 있다. 또한 이 과정에 관여하는 것으로 알려진 기저핵 내 보상학습 회로와 관련된 중독이나 강박증과 같은 정신질환의 뇌과학적 원인 규명에 활용될 수 있다.
연구 책임자인 이상완 교수는 "이번 연구는 인공지능의 강화학습 이론만으로 설명할 수 없는 뇌의 가설 기반 적응학습 원리를 밝혀낸 흥미로운 사례ˮ라면서 "스스로 의심하고 검증하는 뇌과학 이론을 대규모 인공지능 시스템 설계와 학습 과정에 반영하면 신뢰성을 높일 수 있을 것ˮ이라고 말했다.
뇌인지공학 프로그램 양민수 박사과정 학생이 1 저자, 생명과학과 정민환 교수가 공동 저자, 뇌인지과학과 이상완 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications)‘ 2월 20일자로 게재됐다. (논문명: Striatal arbitration between choice strategies guides few-shot adaptation) DOI: 10.1038/s41467-025-57049-5)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원 SW스타랩, 한계도전 R&D 프로젝트, 한국연구재단 중견연구자 및 KAIST 김재철AI대학원 사업 지원을 받아 수행됐다.
2025.02.27 조회수 13703 -
KAIST-충남대 바이오 융합연구 협력 업무협약 체결
우리 대학은 충남대학교와 ‘공동연구협력에 따른 바이오 분야 융합연구 활성화를 위한 업무협약’을 체결했다고 15일(수) 밝혔다.
첨단 바이오분야는 5000조 세계시장을 대상으로 국가간 경쟁이 치열하므로 교육 및 연구개발의 중복투자를 막고 국내 대학간 협력하는 시너지 창출 전략이 필요하다. 첨단 바이오 핵심 연구개발을 수행 중인 우리 대학은 이웃에 위치한 의학 약학 농학 수의학 등 다양한 바이오 분야의 특화된 충남대와의 본격적인 협력에 나선다.
양 대학은 협약 체결을 통해 바이오 분야 융합연구 활성화를 추진하기 위한 공동연구 협력으로 단기간에 세계적인 바이오 분야 가치 창출을 기대하며 국내 대학 간의 공동협력의 중요한 모델과 이정표를 제시하게 될 것이다.
이번 협약에 따라 양 대학은 ▲연구센터 설립을 통한 상호 관심 분야 주제 발굴 및 공동연구 추진 ▲연구 기자재, 시설물 등 인프라 공동 활용 ▲학과 신설을 통한 전문인력 교류 및 양성 ▲ 교수진 참여 공동 교육과정 개발 및 운영 등 다양한 협력 방안을 추진할 예정이다.
충남대 김정겸 총장은 “이번 협약을 통해 충남대와 KAIST가 국내는 물론 글로벌 바이오 융합연구를 위한 전략적 구심점으로 발돋음할 것으로 기대된다.”며 “충남대는 KAIST와의 이번 협력을 바탕으로 우리 연구자들이 혁신적인 연구에 도전하고, 성과를 달성함으로써 글로벌 연구자로 성장할 수 있도록 미래를 위한 지원과 관심을 아끼지 않겠다.”고 말했다.
이광형 총장은 “그동안 긴밀히 유지되어 온 양교간 상호협력을 바탕으로, 바이오 연구 역량과 인프라가 결합하여 융합연구의 새로운 지평을 열 수 있기를 기대한다”면서 “KAIST는 충남대학교와 전문인력 교류, 공동 교육과정 개발, 학생 창업 교류 확대 등을 통해 국가와 지역사회 발전에 더욱 기여할 수 있기를 바란다.”고 강조했다.
우리 대학과 충남대는 1월 15일, 충남대 대학본부 대회의실에서 이광형 총장, 충남대 김정겸 총장 등 양 기관 관계자들이 함께한 가운데 업무협약식을 개최했다.
2025.01.16 조회수 4892 -
정확한 우울증 예측 이제는 손목에서 가능하다
정신질환 팬데믹이 발생했다. 전 세계적으로 약 10억 명이 크고 작은 정신질환을 앓고 있다. 한국도 더욱 심각하여 현재 우울증 및 불안장애 환자는 약 180만 명이며 총 정신질환자는 5년 새 37% 증가하여 약 465만 명이다. 한미 공동 연구진이 웨어러블 기기를 통해 수집되는 생체 데이터를 활용해 내일의 기분을 예측하고, 나아가 우울증 증상의 발현 가능성을 예측하는 기술을 개발했다.
우리 대학 뇌인지과학과 김대욱 교수 연구팀이 미국 미시간 대학교 수학과 대니엘 포저(Daniel B. Forger) 교수팀과 공동연구로 스마트워치로부터 수집되는 활동량, 심박수 데이터로부터 교대 근무자의 수면 장애, 우울감, 식욕부진, 과식, 집중력 저하와 같은 우울증 관련 증상을 예측하는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.
WHO에 따르면 정신질환의 새로운 유망한 치료 방향은 충동성, 감정 반응, 의사 결정 및 전반적인 기분에 직접적인 영향을 주는 뇌 시상하부에 위치한 생체시계(circadian clock)와 수면(sleep stage)에 중점을 두는 것이다.
하지만 현재 내재적 생체리듬(endogenous circadian rhythms)과 수면 상태를 측정하기 위해서는 하룻밤 동안 30분 간격으로 피를 뽑아 우리 몸의 멜라토닌 호르몬 농도 변화를 측정하고 수면다원검사(polysomnography, PSG)를 수행해야 한다. 이 때문에 병원 입원이 불가피하여, 통원 치료를 받는 정신질환자가 대부분인 실제 의료 현장에서 두 요소를 고려한 치료법 개발은 지난 반세기 동안 큰 진전이 없었다. 더불어 검사 비용 또한 무시할 수 없어(PSG: 보험료 적용 없을 시 약 100만원) 사회적 약자는 현재 정신건강치료의 사각지대에 있다.
이러한 문제를 극복하기 위한 해결책은 공간의 제약 없이 실시간으로 심박수, 체온, 활동량 등 다양한 생체 데이터를 손쉽게 수집할 수 있다는 웨어러블 기기다. 그러나 현재 웨어러블 기기는 생체시계의 위상과 같은 의료 현장에서 필요로 하는 바이오마커(Biomarker)의 간접적인 정보만을 제공하는 한계를 가지고 있다.
공동연구팀은 스마트워치로부터 수집된 심박수와 활동량 시계열 데이터 등 매일 변화하는 생체시계의 위상을 정확히 추정하는 필터링(Filtering) 기술을 개발했다. 이는 뇌 속 일주기 리듬을 정밀하게 묘사하는 디지털 트윈(Digital twin)을 구현한 것으로, 이를 활용해 일주기 리듬 교란을 추정하는 데 활용될 수 있다.
이 생체시계 디지털 트윈의 우울증 증상 예측 활용 가능성을 미시간 대학교 신경과학 연구소의 스리잔 센(Srijan Sen) 교수 및 정신건강의학과의 에이미 보너트(Amy Bohnert) 교수 연구팀과의 협업을 통해 검증했다.
협업 연구팀은 약 800명의 교대 근무자가 참여한 대규모 전향 코호트 연구를 수행해 해당 기술을 통해 추정된 일주기 리듬 교란 디지털 바이오마커가 내일의 기분과 우울증의 대표적인 증상인 수면 문제, 식욕 변화, 집중력 저하, 자살 생각을 포함한 총 6가지 증상을 예측할 수 있음을 보였다.
김대욱 교수는 “수학을 활용해 그동안 잘 활용되지 못했던 웨어러블 생체 데이터를 실제 질병 관리에 적용할 수 있는 실마리를 제공하는 연구를 진행할 수 있어 매우 뜻깊다”라며, “이번 연구를 통해 연속적이고 비침습적인 정신건강 모니터링 기술을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 이는 현재 사회적 약자들이 우울증 증상을 경험할 때 상담센터에 연락하는 등 스스로 능동적인 행동을 취해야만 도움을 받을 수 있는 문제를 해결해, 정신건강 관리의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 보인다”고 말했다.
뇌인지과학과 김대욱 교수가 공동 제1 저자 및 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘npj Digital Medicine’ 12월 5일 온라인판에 게재됐다. (논문명: The real-world association between digital markers of circadian disruption and mental health risks) DOI: 10.1038/s41746-024-01348-6
한편 이번 연구는 KAIST 신임교원 연구지원사업, 미국 국립과학재단, 미국 국립보건원, 미국 육군연구소 MURI 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.
2025.01.15 조회수 8514 -
치매 정복을 위해 (주)에이티앤씨와 연구협력
우리 대학은 미래 첨단 디지털 바이오 시대를 대비하여 연구 투자 및 산학협력을 확대하고자 1월 9일 서울 도곡캠퍼스에서 (주)에이티앤씨(AT&C, 대표 이종원)와 포괄적인 상호협력 협약을 체결한다고 9일 밝혔다.
노인성 치매는 빠르게 증가하는 뇌질환으로써 65세 노인 인구의 10%를 차지하며 85세 이상의 경우 약 38%가 치매를 앓고 있다. 알츠하이머병은 가장 많은 노인성 치매 질환이며 최근에는 40세 이상 인구에서 유병율이 빠르게 증가하고 있으나 효과적인 치료제가 없는 실정이다.
정부는 2020년부터 2029년까지 총 1조 1,054억 원을 치매 연구개발사업에 투자하여 치매 환자 증가 속도를 50% 감소시키는 것을 목표로 하고 있다. 치매치료제를 개발하는 데에는 많은 시간과 비용이 들기 때문에 보다 빠르게 치매 치료에 적용할 수 있는 디지털 치료제의 개발이 절실하다.
디지털헬스케어기업인 (주)에이티앤씨는 자기장을 이용한 경두개 자기자극술(TMS) 기반의 이미 우울증 치료기기로 식약처 승인을 받아 국내외 판매를 하고 있다. 또한, 알츠하이머 치매 치료기를 국내 최초로 개발하여 식약처로부터 임상시험 허가를 받았으며 안전성을 평가하는 1상과 일부 환자들을 대상으로 효능을 검사하는 2상을 통과한 뒤, 현재 대규모 환자들을 대상으로 효능을 검사하는 임상 3상을 진행 중이다.
이 치매 치료기는 비침습적인 전자약(TMS 전자기 자극기)과 디지털 치료제(인지 학습 프로그램)를 융합한 시스템을 갖추고 있어 인공지능 영상 분석 및 로봇 제어 기술을 적용하여 정밀하고 자동화된 치료를 제공한다.
우리 대학은 이번 협약을 통해 (주)에이티앤씨와 혁신적인 뇌 질환 디지털 치료 장비 개발 분야에 상호협력하기로 하였다. 연구 협력을 통해 (주)에이티앤씨는 자사의 장비를 파킨슨병, 뇌졸중, 경도인지장애, 수면장애 등에 폭넓게 적용하는 기술을 개발할 수 있으며, 우리 대학의 웨어러블 기술을 활용해 가정에서도 뇌 기능을 향상하고 치매를 예방할 수 있는 휴대용 장비를 개발할 예정이다.
이를 위해 (주)에이티앤씨는 3년 이내 첨단 디지털 장비 개발을 목표로 약 30억원 규모의 연구 인력 및 연구비를 지원하고 우리 대학은 디지털헬스케어 연구센터를 구축할 계획이다.
디지털 장비 시장은 2023년부터 2033년까지 연평균 성장률 22.1%로 성장하여 2033년에는 시장 규모가 1조 9,209억 달러를 넘어설 것으로 전망된다.
이종원 대표는 “(주)에이티앤씨는 TMS(경두개 자기자극) 기술을 이용하여 알츠하이머 치매 치료에 있어 선도적인 역할을 수행하고 있다. KAIST와의 이번 협약을 통해 뇌 질환 치료의 새로운 패러다임을 만들고, 미래 의료기기와 의료기술을 선도할 수 있는 플랫폼 기업으로 거듭나기 위해 최선을 다할 것이다.”고 말했다.
본 연구개발 사업을 지원하는 이기태 前 삼성전자 부회장은 “이번 KAIST 와 협약을 통해서 지금까지 (주)에이티앤씨가 개발한 기술과 KAIST의 혁신적 차별화된 기술을 서로 접목하여 새로운 미래를 준비하고자 한다.”라고 말했다.
이광형 총장은 “KAIST는 이번 협력을 통해 뇌질환 치료를 위한 세계 최고 수준의 디지털 치료제 개발 인프라를 구축하고, 한국의 바이오 의료 분야 경쟁력을 더욱 강화하는데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다”라고 강조했다.
협약식에는 이광형 총장, 김대수 생명과학기술대학장, (주)에이티앤씨 이종원 대표, 이기태 前 삼성전자 부회장이 참석한다.
2025.01.09 조회수 5664 -
뇌 신경활동의 시간적 스케일 규명
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.
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.
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.
2024.12.24 조회수 6495