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피오릴로 교수, 사이언스誌 논문 게재
우리 대학 바이오및뇌공학과 크리스토퍼 피오릴로(Christopher Fiorillo, 43세) 교수의 논문 ‘가치의 이차원: 도파민 신경세포는 보상적인 가치에는 반응하나 처벌에는 반응 없어(Two Dimensions of Value: Dopamine Neurons Represent Reward but not Aversivenss)’이 세계최고 권위의 학술지인 사이언스(Science) 8월 2일자에 게재됐다.
뇌세포의 신경전달물질(neurotransmitter) 가운데 하나인 도파민(dopamine)은 인간 및 동물의 행동과 인식, 자발적인 움직임, 동기부여, 처벌과 보상, 기분, 학습, 기억 등에 지대한 영향을 미친다. 도파민을 포함해 가치에 민감하게 반응하는 신경세포(value-sensitive neurons)들은 외부에서 오는 자극(stimuli)을 ‘좋다’ 혹은 ‘나쁘다’ 등 가치(value)를 평가하고 그에 따른 행동을 유발한다.
기존의 생리학 또는 계산신경과학분야의 연구에서는 도파민계 뉴런(neuron, 신경세포)들이 반응하는 가치를 일직선상에 연속으로 배열한 ‘총체적인 가치(total value)’로 간주했다. 마치 빛의 강도를 어두운 것(dark)에서부터 점점 더 밝게(bright) 나타내듯이 나쁘다(bad)와 좋다(good), 잃은 것(loss)과 얻은 것(gain), 위험(danger)과 안전(safety) 등 서로 상반된 가치가 양 끝에 배치되고 그 중간은 단계별 가치가 지속적으로 연결되어 있는 일차원적인 직선으로 가치가 존재한다는 것이다. 따라서 도파민의 경우 부정적인 것과 긍정적인 것을 모두 다 표현한다고 여겼다.
하지만 이번에 피오릴로 교수가 수행한 원숭이를 이용한 동물실험 연구결과에 따르면 도파민 뉴런들은 보상적인(reward) 가치에는 민감하게 반응하지만 쓴맛이나 불쾌감과 같은 처벌적인(aversiveness) 가치에는 둔감하게 반응했다. 이는 보상과 처벌이 일직선상에 배열된 연속적인 가치가 아니라 별개의 범주에 속하는 가치라는 것이다.
도파민은 보상(reward)을 받는 것보다 보상을 기대하는(predict) 정도에 따라 더 반응한다고 알려져 있다(보상예측오류, reward prediction error). 예상하지 않았던 보상 혹은 기대했던 것보다 더 큰 보상을 받았을 경우 도파민은 활발하게 생성(activation)되지만 기대했던 보상이 없거나 또는 예상보다 더 적은 보상에는 도파민 생성이 평소보다 낮아지는 억제(inhibiting) 현상을 보인다.
만일 가치가 일차원적으로 존재한다면 예상했던 처벌보다 덜 심한 처벌(예를 들어 좀 더 덜 쓴 주스나 덜 짠 소금물)을 받았을 경우 보상에서처럼(예상했던 것보다 더 큰 보상을 받았을 때) 도파민이 생성되어야 하나 실험 결과에서는 도파민이 전혀 생성되지 않았다. 이처럼 도파민계 뉴런이 처벌에 반응하지 않았다면 처벌을 나타내는 또 다른 뉴런이 존재한다는 것을 시사한다. 이 뉴런들도 보상에 반응하는 도파민계 뉴런처럼 외부 자극에 ‘더 활발하게 반응하거나 또는 억제되는’ 모습을 보일 것이라고 예측했다.
피오릴로 교수는 “이번 연구에서 신경전달물질이 반응하는 네 가지 종류의 가치를 발견했다고 볼 수 있다”며 “보상 받는 것(reward-On), 보상 받지 못하는 것(reward-Off), 처벌 받는 것(aversive-On), 처벌 받지 않는 것(aversive-Off) 가운데 도파민은 보상받는 것(reward-On)만을 나타내는데, 나머지 세 종류의 가치에 반응하는 신경전달물질은 아마 별도로 존재할 것”이라고 말했다.
이와 함께 “흥미롭게도 뇌 속에는 도파민과 여러 면에서 유사한 종류의 신경전달물질(세로토닌, 노르에피네프린, 아세틸콜린)이 존재하는데 이들이 나머지 세 종류의 가치를 신호하는 신경전달물질일 가능성이 있다”고 덧붙였다.
지난 2009년 KAIST에 부임한 크리스토퍼 피오릴로 교수는 2000년 미국 오레곤 보건대학(Oregon Health & Science University)에서 신경과학(neuroscience) 분야로 박사학위를 받았다. 스위스 프리부르대학(Fribourg University)과 영국 캠브리지대학(University of Cambridge)에서 박사 후 연구원으로 근무했다.
KAIST로 옮기기 전 미국 스탠포드대학에서 연구한 논문 ‘도파민 신경세포의 보상예측에 대한 시간적인 정밀성(The Temporal Precision of Reward Prediction in Dopamine Neurons)’이 2008년 네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience에 발표되는 등 우수한 연구 성과를 낸 신경생리학자(neurophysiologist)다.
주 연구 분야는 원숭이를 실험에 이용해 신경세포기능을 연구하는 원숭이 신경생리학(Monkey neurophysiology), 계산신경과학(computational neuroscience), 시스템 신경생리학(systems neurophysiology) 등이다.
2013.08.02 조회수 19078 -
국제 뇌 심포지움 오는 3일(금) 오후2시, KAIST 정문술 빌딩에서 개최
우리대학은 오는 3일(금) 오후 2시부터 KAIST 정문술 빌딩에서 ‘뇌과학과 뇌공학으로 여는 미래산업’이라는 주제로 뇌공학 산업화 국제 심포지엄을 개최한다.
이번 행사는 KAIST, KIST, SK, 서울아산병원, 한국생명공학연구원, 한국표준과학연구원 등 6개 기관이 공동주최하는 두 번째 심포지엄이다. 지난해에 뇌질환 정복을 위한 의료연구전략을 중심으로 논의했으며, 올해는 뇌과학과 뇌공학의 산업적 이용가치와 산업화 전략을 주제로 논의한다.
일본 RIKEN 뇌연구소 소장을 역임한 슌이치 아마리 박사, 세계적 뇌과학자인 KIST 신희섭 박사, 뇌공학 연구의 선구자인 KAIST 이수영 교수등이 뇌과학과 뇌공학의 미래를 조명하고, 최근 세계적 신약 간질 치료제 개발에 성공한 SK 주식회사 곽병성 라이프사이언스사업부문장의 성공사례도 발표된다.
우리나라를 대표하는 시냅스 과학자인 KAIST 김은준 박사의 시냅스 생성 원리에 대한 강연과 교육과학기술부 WCU 사업을 통해 미국 스탠포드 대학에서 KAIST로 자리를 옮긴 도파민 분야의 세계적 석학 크리스토퍼 피오릴로 교수의 도파민과 학습의 비밀에 대한 강연도 흥미롭다. 또한 뇌공학으로 달라질 미래 세계를 ‘눈먼 시계공’이라는 과학 소설을 통해 조명중인 KAIST 김탁환, 정재승 교수의 흥미로운 강연이 있고, 네오위즈 대표를 역임한 박진환 티스터디 사장은 ‘뇌와 게임중독 그리고 전교 1등’이라는 제목의 강의를 통해 뇌연구의 새로운 시각을 소개한다.
이상엽 생명과학기술대학장은 이번행사를 주최한 6개 기관이 함께 참여하는 패널토의를 통해 우리나라의 미래 성장동력 창출에 뇌과학과 뇌공학이 어떻게 기여할 수 있는지에 대한 전망을 논의한다.
2009.07.01 조회수 22340