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조광현 교수, 뇌의 제어구조 규명
〈 조광현 교수 연구팀 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 뇌 영역 간 복잡한 연결 네트워크에 내재된 뇌의 제어구조를 규명했다.
이번 연구를 통해 뇌의 동작 원리에 대한 이해를 높이고, 뇌의 제어구조 분석을 통해 뇌 질환 연구 및 치료에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 4차 산업혁명의 핵심기술로 주목받는 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학을 통해 규명했다는 의의가 있다.
이병욱 박사, 강의룡, 장홍준 박사과정이 참여한 이번 연구는 셀(Cell) 출판사가 펴내는 융합과학 국제학술지 ‘아이사이언스(iScience)’ 3월 29일 자에 게재됐다.
뇌의 다양한 인지기능은 뇌 영역들 사이의 복잡한 연결을 통한 영역 간 상호작용으로 이뤄진다. 최근 뇌의 연결성에 대한 정보가 뇌의 동작 원리를 파악하는 핵심이라는 의견이 대두되면서 세계적으로 뇌 연결성을 파악하기 위한 커넥톰(Connectome) 연구가 활발히 이뤄지고 있다.
이를 통해 뇌 영역 사이의 구체적 연결성이 파악되고 있지만 복잡한 연결성에 내재된 뇌의 동작 원리에 대한 이해는 아직 매우 부족한 상황이다. 특히 뇌의 강건하면서 효율적 정보처리 능력의 기반이 되는 뇌의 숨겨진 제어구조는 파악된 내용이 없다.
조 교수 연구팀은 뇌의 제어구조 분석을 위해 ‘미국국립보건원(NIH) 휴먼 커넥톰 프로젝트(Human Connectome Project)’에서 제공하는 정상인의 뇌 영상 이미지 데이터를 활용해 뇌 영영 간 네트워크를 구축했다.
이후 연구팀은 그래프 이론의 최소지배집합(minimum dominating set) 개념을 활용해 뇌 영역 간 복잡한 연결 네트워크의 제어구조를 분석했다.
최소지배집합이란 네트워크의 각 노드(뇌의 각 영역)가 링크(뇌의 서로 다른 영역간의 연결)로 연결된 이웃 노드에 직접적 영향을 줘 기능을 제어할 수 있다고 가정할 때, 네트워크를 구성하는 모든 노드를 제어하는 데 필요한 최소한의 노드 집합을 말한다.
기존 여러 연구를 통해 다양한 생체 네트워크 및 통신망, 전력망 등의 복잡계 네트워크를 제어하는 데 있어서 최소지배집합이 핵심적인 역할을 한다는 것이 보고된 바 있다.
연구팀은 최소지배집합을 기반으로 ‘제어영역의 분포(distribution of control)’와 ‘제어영역의 중첩(overlap in control area)’이라는 두 가지 지표를 정의한 뒤 이를 기준으로 총 네 종류의 제어구조를 정의했다.
이후 연구팀은 브레인 네트워크를 비롯해 도로망, 통신망, 소셜 네트워크 등 실존하는 다양한 복잡계 네트워크가 어떤 제어구조를 갖는지 분석했다. 분석 결과 뇌는 다른 대부분 네트워크와는 달리 제어영역이 분산된 동시에 서로 중첩된 특이한 구조로 이뤄짐을 밝혀냈다.
뇌의 이러한 제어구조는 외부 섭동에 의한 네트워크의 높은 강건성을 유지하면서 동시에 여러 인지기능을 효율적으로 수행하기 위한 영역들의 상호 활성화를 다양하게 하기 위한 것임을 밝혔다.
IT와 BT가 융합된 시스템생물학 접근을 통한 브레인 네트워크의 구조분석은 인공지능의 발전에도 기여할 것으로 보인다. 브레인 네트워크의 진화적 설계원리에 대한 이해를 높인다면 컴퓨터 과학자들이 이를 이용해 새로운 인공지능 기술을 개발할 수 있다.
조 교수는 “지금껏 뇌의 제어구조가 밝혀진 바가 없었다”라며 “복잡한 연결성에 숨겨진 브레인 네트워크의 진화적 설계원리를 시스템생물학 연구를 통해 찾아냄으로써 뇌의 동작 원리를 파악할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 뇌의 제어구조 규명
그림2. 뇌 영역 간 네트워크 구축
2019.04.10 조회수 30142 -
엄상일·차미영·김호민 교수, 기초과학연구원(IBS) CI로 선정돼
〈기초과학연구원 CI로 선정된 엄상일·차미영·김호민 교수(왼쪽부터)〉
우리대학 엄상일(42세)·차미영(39세)·김호민(40세) 교수가 최근 기초과학연구원이 출범한 2개 연구단의 연구책임자격인 CI(Chief Investigator)에 선정됐다. 이들은 새로운 형태의 연구단인 'PRC'(Pioneer Research Center)에서 독립적인 연구 그룹을 구성한다.
PRC는 IBS 연구단의 한 종류로, 최대 다섯 명의 CI가 각 연구그룹을 이끌 수 있는데 그룹별로 5년간 10∼15억 원의 연구비가 지원된다. 엄상일·차미영 교수는 수리 및 계산과학 연구단 내의 이산수학 그룹과 데이터 사이언스 연구그룹을 각각 이끈다.
엄상일 교수는 한국인 전공자가 많지 않은 그래프 이론 분야에서 국제적 인지도를 쌓아왔다.
그래프 이론은 컴퓨터와 더불어 발전한 수학의 연구 분야다. 산업 현장에 필요한 효율적인 일정 짜기, 일상에서 흔히 사용되는 내비게이션 최단거리 알고리즘 등에 활용한다.
차미영 교수는 아시아 최초로 페이스북 데이터사이언스팀 초빙교수로 근무한 경력을 갖고 있다. 피인용 지수가 1만1천회(구글 집계 기준)를 넘어서는 등 인지도도 높다. 차 교수는 "빅데이터에 기반을 둔 가짜 뉴스 탐지를 비롯해 중요한 미래예측기술을 개발할 방침"이라고 말했다. 이밖에 김호민 교수는 바이오 분자 및 세포구조 연구단 안에서 연구를 진행한다. 구조 생물학 분야에서 혁신적 성과를 창출해온 김 교수는 단백질 구조와 작동원리를 밝혀 다양한 치료제 후보 물질을 개발하는 데 도전할 방침이다.
2개 연구단이 새롭게 출범함으로써 IBS 연구단은 모두 30개(본원 7개·캠퍼스 14개·외부 9개)로 늘어나게 됐다. 분야별로는 수학 2개, 물리 9개, 화학 6개, 생명과학 7개, 지구과학 1개, 융합 5개 등이다.
2018.12.03 조회수 15768