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1 주간뇌연구동향 한국뇌연구원 뇌연구정책센터

2 1. 혈역학적반응과신경활성의상관관계 Nature Published online 25 May 2016 신경활성화는국부적으로혈액흐름을증가시킴. 이러한혈관신호는신경활성의위치및강도를추측하기위해기능적영상진단기술에사용되지만, 신경및혈관신호의정확한공간적크기와혈역학적신호에서시냅스활성및신경세포발화활동의역할에대해서는아직까지잘알려져있지않음. 이전의연구들은시냅스활성의척도로서신경세포발화활동, 저해상도의혈역학적이미징및국소장-전위신호를기록함 미국사우스캐롤라이나대학 Prakash Kara 박사연구팀은형광글루타메이트센서및칼슘센서를이용하여혈관주변조직에서시냅스활성과신경세포발화이미징과함께개별혈관의감각유발반응들 (sensory-evoked response-혈관확장, 혈류속도 ) 을측정하기위해이광자현미경을사용함. 연구팀은자극의방향 (direction) 과방위 (orientation) 에대해신경세포스스로의선호도에따라집단화 (cluster) 되는고양이일차시각피질 ( 인간과유사 ) 에서신경세포발화활성맵과유사하지만, 자극의방향과방위에대해덜선택적인흥분성시냅스활성관련새로운맵을발견함. 연구팀은최초로개별적혈관반응에대한조정곡선 (tuning curve) 을생성하여, 피질층 2/3에서실질혈관 (parenchymal vessel) 이자극방향선택적임을발견함. 이웃하는관통소동맥은서로다른자극방위선호도를가짐을확인함. 고양이피질연질막동맥 (pial surface artery) 뿐아니라, 방위맵이존재하지않는쥐시각피질표면동맥과관통소동맥도시각적자극에반응하지만방위선택성이없음이확인됨. 연구팀은고양이에서각각의실질혈관주위의시냅스반응또는신경세포발화반응들을통합하여, 혈관반응과신경반응이동일한자극방향선호도를가지지만, 시냅스반응과신경세포발화반응은부분적으로분리되어있음을확인함. 종합하여볼때, 이러한연구결과는이웃하는신경조직사이에일어나는혈관팽창의전파처럼고유한대뇌피질의특징들이혈역학적신호를해독하여고려되어야할필요가있음을제시함

3 1. 혈역학적반응과신경활성의상관관계 ( 계속 ) Selectivity of blood vessel dilation to sensory stimuli in species with and without cortical orientation maps a, Schematic of cat visual cortex showing the columnar organization of neurons by orientation preference and a pial surface artery with multiple branches penetrating the parenchyma. Different colours of neuronal cell bodies represent their different preferred stimulus orientations. b, Time courses and polar plots (averages of six (top) and eight (bottom) trials) of the changes in dilation of two layer 2/3 arterioles in cat visual cortex to visual stimulation. c, Time course and polar plot of responses from a surface artery in cat (average of four trials). d, Population distribution and median OSI for parenchymal and surface vessels. e, Schematic of rat visual cortex where neurons with different orientation preferences are intermingled. f, g, Time courses and polar plots of responses from two parenchymal arterioles and a surface artery in rat visual cortex. h, Population distribution and median OSI for parenchymal and surface vessels.

4 2. apoe4 유발기억손상을일으키는 SWR 연관감마파장애 h Neuron 90, , May 18, 2016 아포지질단백질 E4(ApoE4) 는알츠하이머병 (AD) 의주요유전적위험인자이지만, 어떤메케니즘으로인지저하를야기시키는지에대해서는명확하지않음. 이전의 연구들은유전자주입 (knockin, KI) 쥐에서인간 apoe4 가해마치아이랑 (hippocampal dentate gyrus) 에서연령에따른학습과기억장애, 그리고 GABA 성중간뉴런 (interneuron) 의변성을일으킴을보여줌 미국 UCSF Yadong Huang 박사연구팀은기억과정에중요한해마의네트워크이베트인예파잔물결 (sharp-wave ripples, SWRs) 과관련한 ApoE4-KI 표현형연구를보고함. 노화 apoe4-ki 쥐는노화 apoe3-ki 쥐보다적은 SWR을나타내고, SWR을나타내는동안감마파활성이현저히감소함. 학습과기억손상을방지하는 GABA성중간뉴런에서 apoe4의제거는노화쥐에서 SWR 관련감마파활성은회복시켰지만, SWR 양 (abundance) 은회복시키지못함. apoe4-ki 젊은쥐와노화쥐에서 SWR 양은유사하게감소되었지만, 전체 SWR 연관감마파장애는노화 apoe4-ki 쥐에서나타남. 이러한연구결과는 SWR이나타나는동안중간뉴런에서감마파활성의점진적저하가 apoe4-매개학습과기억손상에기여함을제시함

5 2. apoe4 유발기억손상을일으키는 SWR 연관감마파장애 ( 계속 ) h Deficit in DG-Enabled Slow Gamma Oscillations during SWRs Likely Contributes to ApoE4-Induced Learning and Memory Impairments in Aged Mice Compared to aged apoe3-ki mice, aged apoe4-ki mice show significant loss of GABAergic interneurons in the hilus of the DG. This loss is prevented by removing apoe4 from GABAergic interneurons, as seen in aged apoe4-ki/dlx-cre mice. Aged ApoE4-KI and apoe4-ki/dlx-cre mice have fewer SWRs than aged apoe3-ki mice. Transient slow gamma activity occurs in the CA1, CA3, and DG during SWRs and is attenuated throughout the hippocampal circuit in aged apoe4-ki mice. Strikingly, in aged apoe4-ki/dlx-cre mice, which do not develop learning and memory impairments (Knoferle et al., 2014), SWR-associated slow gamma power is restored to the level as seen in aged apoe3-ki mice. Together, these findings suggest that progressive dysregulation of SWR associated slow gamma activity contributes to age dependent learning and memory impairment in apoe4-ki mice.

6 3. 다운증후군만드는단백질, 다른지적장애와도관련있다울산과학기술원 (UNIST), 지적장애공통원인단서발견 출처 : 동아사이언스 뇌가발달하는동안뇌신경세포간의연결망에문제가생기면다운증후군과같은지적장애 가발생할가능성이높다. 최근국내연구진이여러지적장애를유발하는공통적인단서를발 견했다. 민경태울산과학기술원 (UNIST) 생명과학부교수팀은다운증후군의원인중하나인 DSCR1 단백질이뇌신경세포 ( 뉴런 ) 가네트워크를형성하고제자리를찾도록돕는다는사실을발견했다고 23일밝혔다. 이단백질이뇌신경세포를서로연결해신경망을형성하는 축삭돌기 의발달을결정한다는것이다. 축삭돌기는뇌신경세포의세포체에서뻗어나온긴돌기로, 말단을회전시키면서연결할다 른뇌신경세포를찾는다. 이때축삭돌기의말단이너무많이회전하거나너무적게회전하면 뇌발달을저해하는것으로알려졌다. 연구진은 DSCR1 유전자를없애거나비정상적으로많이발현시킨생쥐의뇌발달과정을관찰했다. 그결과 DSCR1 유전자가사라진생쥐의축삭돌기는발달이 억제됐고축삭돌기말단의회전능력도사라졌다. DSCR1 유전자가과도하게발현된생쥐는축삭돌기가정상보다훨씬많이회전하고뇌신경세포가제자리를찾 지못하는이상증세를보였다

7 3. 다운증후군만드는단백질, 다른지적장애와도관련있다 ( 계속 ) 또연구진은이유전자가다른지적장애유발단백질과도상호작용한다는사실을알아냈다. DSCR1 유전자가과도하게발현된생쥐에서 X- 염색체증후군을유발 하는 FMRP 단백질을억제하자뇌신경세포가제자리를찾아가면서정상상태로회복됐다 민교수는 다운증후군이나 X- 염색체증후군과같은지적장애가공통적인분자세포학적인메커니즘을통해발생할수있다는가설을뒷받침한다 며 DSCR1 단 백질이신경세포네트워크형성에서중요하다는사실을밝힌만큼다운증후군을비롯한지적장애를이해하는발판이될것 이라고말했다 연구결과는국제학술지 셀바이올로지저널 (Journal of Cell Biology) 23 일자에게재됐다

8 4. 광유전학 치료첫임상시험순항중美연구진, 3 월망막색소변성증환자 15 명임상시험시작, 출처 : 동아사이언스 빛을쪼여신경세포를조절하는 광유전학 기술이임상시험단계에접어들었다고 네이처 가 19일자에보도했다. 3월미국 레트로테라퓨틱스 사는미국국립보건원 (NIH) 국립안과연구소, 존스황반기능연구소등사우스웨스트망막연구재단의료진과함께망막색소변성증환자 15명을대상으로첫광유전학임상시험을시작했다. 광유전학기술을인체에적용한것은이번이처음이다. 빛과유전학을접목한광유전학은빛으로단백질의기능을제어하는기술이다. 빛으로신경세포를선택적으로자극해정신적 육체적질환을치료하는데활용할수있다. 이에시각장애뿐만아니라파킨슨병, 정서불안장애등다양한정신질환에적용하기위한연구가활발히진행되고있다. 망막색소변성증은빛을전기신호로바꿔주는광수용체세포가제기능을하지못하는질병으로, 환자는명암정도만겨우구분할수있다. 증상이악화되면실명에까지이를정도로치명적이다 연구진은청색광에광활성을지닌 클라미도모나스 라는단세포녹조류의 DNA 를인체에무해한바이러스에끼워넣어환자의눈에주입하고있다고밝혔다. 여기 에청색빛을쪼이면주변의다른세포 ( 신경절세포 ) 가광수용체세포를대신해뇌에전달할시각정보를생성할수있다. 이기술은쥐와원숭이등동물실험에서 이미효과가입증됐다

9 4. 광유전학 치료첫임상시험순항중 ( 계속 ) 연구진은앞으로 2 년간임상시험을하면서환자의상태를추적할계획이다. 첫시험결과는올해말나올전망이다. 신에인스워스레트로테라퓨틱스광유전학 임상시험총괄책임자는 우리연구결과가긍정적이면향후광유전학연구가더활발해질것 이라고말했다. 한편프랑스의 젠사이트바이올로직스 사도광유전학을활용한원숭이실험을끝내고내년초임상시험을계획중이다

10 5. 암 - 발달장애관여하는단백질확인 KAIST, 신호전달체계에 다리 역할하는새단백질발견, 출처 : 동아사이언스 국내연구진이체내에서암이나발달장애를유발할수있는새로운단백질과작용원리를밝혀냈다 최광욱 KAIST 생명과학과교수팀은몸속신호전달체계에관여하는특정단백질이세포성장을조절하는데중요한역할을한다는사실을알아냈다고 18일밝혔다 우리몸에는단백질합성량을늘려세포크기를키우거나세포수를늘리는데관여하는 토르 라는신호전달체계가있다. 이신호가너무많으면암을유발할수있고너무적으면신체기관이제대로성장할수없어신체장애로이어질수있다 연구진은초파리를이용해토르신호전달체계에관여하는두단백질인 Tctp 와 Rheb 의상호작용을분석했다 그결과두단백질사이에서다리역할을하는 단백질을발견했다. 이단백질이부족하면두뇌와날개등주요기관성장에심각한문제가생기는것으로나타났다 최교수는 단백질은사람에게도존재하기때문에추가연구를통해유사한조절기작이확인된다면토르신호전달체계이상으로생기는암과발달장애의원인을밝히고치료법개발에도도움이될것 이라고말했다. 연구결과는 네이처 자매지 네이처커뮤니케이션스 6일자온라인판에실렸다

11 6. " 혈액검사로치매걸릴사람예측가능 출처 : 파이낸셜뉴스 혈액검사로남성의치매가능성을조기에파악할수있다는연구결과가나왔다 24일 ( 현지시간 ) 영국일간지텔레그래프는혈액검사로남성의 Y염색체소실여부를파악해알츠하이머에걸릴위험이높은남성들을가려낼수있다는스웨덴웁살라대학의연구결과를전했다 웁살라대연구팀이평균연령 73세의남성 3200명을대상으로조사한결과이들중 17% 는혈액세포에서 Y염색체손실이일어난것으로파악됐다. Y염색체가소실되면알츠하이머가진행될확률이 100배나증가한다. 이미알츠하이머를앓고있는남성들역시 Y염색체소실율이매우높은것으로알려졌다 Y염색체는우리몸의면역체계가제기능을하는데중요한역할을한다. Y염색체없이는알츠하이머를유발하는아밀로이드반 (amyloid plaques), 암유발세포등을제거하는데어려움을겪는다. 이때문에 Y염색체소실은남성의여성보다기대수명이낮은수요원인으로꼽힌다 주요연구자인라르스로스버그교수는 Y염색체소실검사를통해알츠하이머, 암등남성의질병가능성을조기에파악할수있다 며 이를통해남성사망률을급격히감소시킬수있고심지어는남녀간기대수명차이를없앨수도있다 고주장했다 통상적으로 80세이상남성의 20% 는 Y염색체손실을겪는것으로알려졌고남성의일생동안유전변이를일으키는염색체도대부분이 Y염색체다 인간이가지고있는 23쌍의염색체중 23번째쌍은성염색체로여성은두개의 X염색체를, 남성은 X염색체와 Y염색체를각각하나씩가지고있다 영국에서남성의평균수명은 세, 여성은 83.2세로여성이남성보다오래사는것으로알려졌다. 여성이남성보다오래사는이유는손실할 Y염색체가없기때문인것으로추측된다고텔레그래프는전했다 이연구는미국인간유전학저널에실렸다

12 7. DGIST, 전압감응탈인산화효소작용메커니즘규명서병창교수연구팀 " 암 종양 퇴행성뇌질환등치료단초마련 ", 출처 : 대덕넷 DGIST( 총장신성철 ) 는서병창뇌 인지과학전공교수연구팀이전압감응탈인산화효소 (VSP) 작용메커니즘을규명해암이나종양, 퇴행성뇌질환치료에새로운단초를마련했다고 25일밝혔다 VSP는사람, 쥐, 개구리, 멍게등생명체에서발견되는효소다. VSP는신경세포와생식세포등에서주로발현되고있지만, 지금까지 VSP의생리학적역할은알려지지않았다. 아직도학계에서는 PTEN 단백질과같은역할을하는것으로예상하고있다 연구팀은 VSP의작용메커니즘연구를통해살아있는세포에서세포막인지질의동역학적변화를실시간측정했다. 세포막전위변화에따른인지질변화정량화모델을확립해분자적수준에서 VSP의역할을규명했다 또연구팀은세포막전위에따른 VSP 작용을정량화한모델링을확립해 VSP가하나의전압의존성을가진다는사실도밝혔다 연구팀이정량화한 VSP 모델은지금까지연구된모든종류의 VSP와 VSP 유전자변형체의전압의존성을설명할수있어 VSP 연구의새로운연구방향을제시했다 서병창교수는 "2005년에발견된 VSP가아직학계에서도생소하지만지금까지알려진것보다많은생명현상에관여하고있을가능성이크다 " 며 " 후속연구를통해 VSP가암과종양, 퇴행성뇌질환등의증상을치료하거나완화할수있는기술개발로이어질수있도록노력하겠다 " 고말했다 한편이번연구는미국워싱턴주립대학버틸힐레 (Bertil Hille) 교수연구팀과공동으로진행됐으며, 연구성과는자연과학분야세계적학술지 ' 미국국립과학원회보 '(PNAS) 24일자온라인판에게재됐다

13 02. 과학기술정책및산업동향 1. 알파고지능의핵심 뉴럴네트워크 인간뇌의뉴런 시냅스연결망모방 뇌파특성연구로진화, 출처 : 한국경제매거진 { 인간뇌의뉴런 시냅스연결망모방 뇌파특성연구로진화 } 인간의사고와행동을제어하는기관은뇌다. 뇌는약 1000억개의신경세포와 3000억개가넘는교질세포로이뤄져있다 과학의발전으로많은자연의신비가하나둘밝혀졌지만뇌는여전히미지의영역으로남아있다. 특히컴퓨터수준이빠르게발전하고있지만여전히인간의사고와판단, 직감능력등은기계가흉내내기쉽지않다 이에따라학계에서는뇌의신비를상당수풀수있다면다양한산업분야에산적한수많은난제를해결하는데도움을줄수있을것이라고예상했다 오늘날전세계적으로뇌과학연구가급물살을타고있다. 이는무엇보다뇌를분석하기위한각종기술이발전하면서뇌를체계적으로파악할수있게됐기때문이다 의학과생리학등뇌와직접적으로연관되는학문은물론이고바이오와정보기술 (IT) 등첨단기술이접목되면서뇌의특성을규명하기위한활동이더욱활발하게진행되고있다 이에따라뇌에대한지식을더욱풍부하게축적할수있게됐고이를기반으로의학발전은물론신규비즈니스를추진하려는움직임도두드러지고있다 뇌과학자들의궁극적인목표는뇌의구조와특징을그대로재현할수있는기계를만드는것이다. 뇌는뉴런 (neuron) 이라는세포와뉴런을연결하는시냅스 (synaps) 가네트워크를구성하고있다 뇌는이신경네트워크를통해외부입력을뇌안의특정부위로전달하는한편이러한전달과정을스스로학습, 이후유사한입력을더욱효과적으로처리할수있는능력을개발할수있다

14 02. 과학기술정책및산업동향 1. 알파고지능의핵심 뉴럴네트워크 ( 계속 ) 따라서컴퓨터과학계에서는신경네트워크를모방할수있는알고리즘을개발하면기존컴퓨터로는해결하기어려운자연어분석및음성과영상인식은물론스스로지식을학습하는인공지능컴퓨터도만들수있게될것이라고주장했다 이런알고리즘은신경네트워크구조를개념적으로모방했다는의미에서뉴럴네트워크 (Neural network) 라고불리게됐다 구글 페이스북이주목한 딥러닝 1980년대일본정부는 5세대컴퓨터 라는뉴럴네트워크연구프로젝트를추진했지만눈에띄는성과를내지못했다 하지만최근뉴럴네트워크의수준이빠르게성장하고있다. 이제는뉴럴네트워크가실험수준을넘어실제로활용될수있을정도로급속히발전했다. 뉴럴네트워크에기반한딥러닝이라는인공지능기술은구글 페이스북 아마존등유수의 IT 기업들이주목하는핵심기술로부상하고있다 얼마전바둑기사이세돌과의대결로큰관심을받은구글의인공지능컴퓨터알파고의핵심기술도바로뉴럴네트워크다 이전까지바둑은체스와달리인간의사고능력이컴퓨터를압도하는게임으로알려졌지만알파고는뉴럴네트워크를기반으로인간보다더욱정교한바둑을둠으로써세계를깜짝놀라게했다 뉴럴네트워크가동작하기위해서는매우높은수준의연산처리능력을가진프로세서가필요하지만뉴럴네트워크의개념이등장할당시에는이러한요구를충족시킬수없었다

15 02. 과학기술정책및산업동향 1. 알파고지능의핵심 뉴럴네트워크 ( 계속 ) 하지만최근에는빠른속도로복잡한연산을처리할수있는고성능프로세서기술이등장하면서효과적인뉴럴네트워크를만들수있게됐다 한편빅데이터역시뉴럴네트워크발전의일등공신이다. 뉴럴네트워크스스로학습을통해성능을강화하기위해서는지속적으로방대한규모의데이터를입력받는것이필수적이기때문이다 과거에는뉴럴네트워크에적용할수있는데이터의수집및처리능력이제한적이었기에뉴럴네트워크가뛰어난성능을발휘하기어려웠다. 하지만인터넷및모바일시대의등장으로풍부한데이터확보가가능해지면서뉴럴네트워크수준도성장할수있었다 뉴럴네트워크의성능을혁신시키기위한새로운연구도진행되고있다. 기존뉴럴네트워크는신경네트워크구조만묘사했을뿐동작메커니즘까지정확히모방하지는못했다. 입력된정보를토대로단편적인결과를얻는능력은탁월하지만숨겨진의미까지는이해하지못한것이다. 예를들어언어의표면적의미는이해할수있지만여기에내포된은유나비유등을파악하는것은쉽지않다 이에따라과학자들은뉴럴네트워크의구조뿐만아니라여기에서발생하는뇌파의특성에주목하게됐다. 뉴런과시냅스가자극을받으면뇌파를생성되는데, 이러한뇌파는정보의전달을넘어보다고차원적인정보해석도촉진하는것으로알려져있다 따라서뇌의신경네트워크및뇌파의작용까지모방해보다정교한사고능력을구현할수있는스파이킹뉴럴네트워크 (Spiking neural network) 라는기술도각광받게됐다

16 02. 과학기술정책및산업동향 1. 알파고지능의핵심 뉴럴네트워크 ( 계속 ) 슈퍼컴퓨터능가할 뉴로모픽칩 뉴럴네트워크를실제하드웨어반도체로만들려는움직임도있다. 그간뉴럴네트워크는개발이용이한소프트웨어로개발되는것이대부분이었다. 하지만실제뇌의특징을정교하게모방하기위해서는뇌세포및신경네트워크구조를하드웨어로만들어야한다는주장이지속적으로제기돼왔다 이에따라기존컴퓨터프로세서와달리뉴럴네트워크를기반으로각종명령및연산을처리할수있는뉴로모픽칩 (Neuromorphic chip) 도큰주목을받고있다 만일뉴로모픽칩이성공적으로작동한다면기존의컴퓨터패러다임을완전히바꿀수있을것이라는전망도제기되고있다. 인간의뇌는슈퍼컴퓨터를능가하는능력을지니고있지만실제전력사용은매우적다고한다 그러므로만일이러한특징을정확하게재현할수있는뉴로모픽칩이등장한다면기존에풀기어려웠던문제도척척해결하면서에너지를훨씬적게소비하는꿈의컴퓨터를만들수있을것으로기대된다 IBM과퀄컴등여러기업들은이러한뉴로모픽칩을집중적으로연구하고있다. IBM은 2006년부터뇌를모방하는컴퓨터를개발하는프로젝트를수행하고있는것으로알려져있다. 이런노력으로 IBM은 2014년트루노스 (TrueNorth) 라는뉴로모픽칩을발표하고향후수년내상용화할수있을것이라고주장했다 특히트루노스는매우적은전력만소모하므로만일상용화된다면스마트폰과웨어러블기기등전력공급이제한되는기기에효과적으로사용될수있을것으로예상된다 모바일반도체를개발하는퀄컴역시미래사물인터넷반도체의주도권을선점하기위해트루노스와유사한뉴로모픽칩을개발하고있다. 퀄컴은제로스 (Zeroth) 라는새로운프로세서를만들고있는데, 이를통해컴퓨터가마치사람처럼주변환경을인식하고스스로학습하는능력을구현하는것을목표로하고있다

17 02. 과학기술정책및산업동향 1. 알파고지능의핵심 뉴럴네트워크 ( 계속 ) NEC나소니등일본의여러기업들역시뉴로모픽칩을비롯한뉴럴네트워크연구에더욱박차를가하고있는상황이다 뉴럴네트워크가향후어느정도의파급력을가져올지는여전히미지수다. 뉴럴네트워크가전면적으로활용되기위해해결해야할기술및사업적난제들이아직적지않기때문이다 반면자연과학과공학기술의융 복합발전이그어느때보다빠르게이뤄지면서뉴럴네트워크연구가이전보다더욱풍부한성과를보일것이라는긍정적전망도적지않다 그러므로뉴럴네트워크에대한지속적인투자를통해미래인공지능시대의경쟁력을축적하는것이야말로기업은물론국가차원의중요한과제로부상하게될것으로보인다

18 감사합니다

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