주간뇌연구동향 2017-03-17 한국뇌연구원 뇌연구정책센터
1. 중뇌 Cbln1 유전자를억제시켜사회성장애를일으키는자폐유전자 Ube3a 와발작 * Article: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=autism+gene+ube3a+and+seizures+impair 모계유전되는염색체 15q11-13의삼중복 (triplication) 은 UBE3A 유전자증가와연관된빈번하고매우침습적인유형의자폐증을일으킨다. UBE3A 유전자는전사과정에서공동의조절기능을가지는 ubiquitin ligase를암호화한다 미국보스톤베스이스라엘디커너스병원 Matthew P. Anderson 박사연구팀은마우스생체내에서유전학적기법을사용하여, 핵에서 UBE3A 유전자의증가가마우스의사교성에필요한글루타메이트시냅스형성체 (organizer) Cbln1 유전자를하향조절시키는것을확인하였다. 또한, 연구팀은무증상의 UBE3A 유전자가증가된마우스에서간질성발작 (epileptic seizure) 도 Cbln1 유전자를억제하고, 사교성장애를나타내는것을밝혔다. 이 Ube3 유전자와발작의공동작용 (Ube3- seizure synergy) 은중뇌복부피개영역 (VTA) 의글루타메이트뉴런에서매핑되었으며, Cbln1 유전자삭제는사교성장애를일으키고, 글루타메이트전송을약화시켰다. 연구팀은 VTA 글루타메이트뉴런에서 Cbln1 유전자의바이러스벡터기반화학유전학적활성화또는복원실험을통해 Ube3a 유전자및 / 또는발작에의해유도되는사교성장애가역전되는전임상적증거도보여주었다 이러한연구결과는 VTA 글루타메이트뉴런에서유전자와발작의상호작용이자폐유전자들의단백질상호작용네트워크를확장시키는데핵심요소인 Cbln1 유전자를감소시켜사교성장애를일으킨다는것을시사해준다
1. 중뇌 Cbln1 유전자를억제시켜사회성장애를일으키는자폐유전자 Ube3a 와발작 ( 계속 ) Protein interaction sub-cluster enriched for glutamatergic synapse proteins encoded by autism-linked13 (SFARI, Simons Foundation Autism Research Initiative) and UBE3A up- and downregulated genes.
2. 뇌작동, 예상보다 10 배빠르다 ' 생각하는 ' 컴퓨터개발위한새접근법모색, 출처 : 사이언스타임즈 * Article: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28280248 뇌작동이지금까지생각했던것보다 10배나더빠르다는새로운연구가나왔다. 이에따라뇌신경계질환치료와, 생각하는 컴퓨터개발을위한새로운접근법을모색할수있게됐다. 과학저널 사이언스 (Science) 3월 9일자에발표된이번연구는뇌신경세포인뉴런의구성요소인수상돌기 (dendrites) 기능과구조에초점을두었다. 뉴런은나무와같은몸체 (somas) 구조로이루어져있고, 바깥으로뻗어나가는나뭇가지모양의수많은수상돌기 ( 樹狀突起 ) 를가지고있다. 뉴런몸체는서로연결하고통신하기위해 스파이크 (spikes) 라고하는작은전기펄스를생성한다. 과학자들은이뉴런몸체스파이크가수상돌기를활성화시킨다고믿어왔다. 수상돌기는수동적으로다른뉴런의몸체에전류를보낸다고생각한것. 이과정은뇌에기억이형성되고저장되는기반을이루지만지금까지과학적으로검사된적이없다 뇌신경세포인뉴런의구조그림 : Wikipedia / Quasar Jarosz
2. 뇌작동, 예상보다 10 배빠르다 ' 생각하는 ' 컴퓨터개발위한새접근법모색, 출처 : 사이언스타임즈 수상돌기뉴런몸체보다 10배이상활동적 미국로스앤젤레스캘리포니아대 (UCLA) 연구팀은이번연구에서수상돌기가단지수동적인도관역할만하는것이아니라는사실을발견했다. 연구결과수상돌기는자유롭게움직이는동물들에서전기적으로활성화돼있어, 뉴런몸체보다거의 10배나많은스파이크를생성하는것으로밝혀졌다 UCLA 팀이개발해연구에사용한뇌세포수상돌기의전기스파이크측정장치실험모습. 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=ictwwbklj8g 이발견은뉴런몸체에서의전기펄스가지각과학습, 기억을형성하는주된방법이라는오랜믿음에의문을제기한다 논문의시니어저자인마얀크메타 (Mayank Mehta,) UCLA 신경물리학자는 수상돌기는뇌신경조직의 90% 이상을차지한다 며, 수상돌기가뉴런몸체보다훨씬더활동적이라는사실을알면두뇌가정보를어떻게처리하는지를이해하는방식이근본적으로바뀐다 고말했다. 그는이를통해 신경학적장애를이해하고치료하며, 뇌와같은컴퓨터를개발할수있는길을열어준다 고덧붙였다 과학자들은일반적으로수상돌기가두개의뉴런사이의접합부인시냅스에서전류를받아뇌세포로부드럽게전달해차례로전기자극을일으킨다고믿어왔다. 몸체스파이크 (somatic spikes) 로알려진이짧은전기파열은뇌신경의정보처리와학습의핵심이라고생각했다. 그러나이번새연구에따르면수상돌기는뉴런몸체보다 10배이상자주스파이크를생성하는것으로증명됐다수상돌기, 전압생성해아날로그정보처리수행 연구팀은또수상돌기가 2진법 (binary) 으로생성되는스파이크외에전압에도큰변동을일으킨다는사실을발견했다. 뉴런몸체는디지털컴퓨터처럼다만이진법의 0 아니면 1 의스파이크를생성한다. 수상돌기는이와비슷한스파이크를만드는외에도스파이크보다훨씬크고천천히변화하는전압을생성하여아날로그정보처리를수행하는것으로나타났다.
2. 뇌작동, 예상보다 10 배빠르다 ( 계속 ) 메타교수는 수상돌기는순수디지털컴퓨터와근본적으로다르게아날로그및디지털계산모두를수행하는하이브리드지만아날로그컴퓨터인양자 (quantum) 컴퓨터와다소유사하다 고말했다. 그는 신경과학에서기본적인믿음은뉴런이디지털장치라는것이나, 이번연구결과는수상돌기가순수하게디지털장치처럼작동하지않는다는것을보여준다 고설명했다. 수상돌기는 1 또는 0 (all-or-none) 의디지털신호를생성하지만또한큰아날로그변동을 1 또는 0 으로나타냄으로써신경과학자들이지난 60년동안믿어왔던것과큰차이가있다는것이다 메타교수는, 수상돌기는뉴런중심부보다거의 100배가더크기때문에수상돌기가많은스파이크를발생하면뇌가이전에생각했던것보다 100배이상의정보처리능력을가질수있다는것을의미한다고말했다수상돌기전기적측정장치개발해연구활용 뇌조각에대한최근연구에따르면수상돌기가스파이크를생성할수있음을보여준다. 그러나이것이자연스런행동에서일어나는것인지, 얼마나자주발생하는지는명확하지않았었다. 자연스런동작을하는중에일어나는수상돌기의전기적활동을측정하는작업은지금까지매우힘들었다. 실험용쥐를대상으로수상돌기에전극을설치했으나세포가죽곤했다. 이번 UCLA팀은전극을수상돌기자체가아닌그가까이에설치하는기술을개발했다 연구팀은이기술을이용해큰미로에서자유롭게움직이는쥐의수상돌기활동을최대 4일동안측정했다. 운동계획을짜는데중요한역할을하는뇌의후두부정수리피질에서측정한결과뉴런몸체보다수상돌기에서훨씬더많은활동이일어났다. 쥐가자고있을때는스파이크가 5배정도, 탐구활동을할때는 10배이상더많이발생했다 논문제1저자인제이슨무어 (Jason Moore,) 박사후과정연구원은 이전의여러모델들에서는두개의뉴런몸체가동시에활성화될때학습이일어난다고생각해왔다 며, 이번연구결과를보면입력뉴런몸체와수상돌기가동시에활성화될때학습이일어난다 고말했다. 그는 수상돌기의서로다른부분들이다른시간대에활성화될수있기때문에하나의뉴런안에서학습이일어날수있는방법에는훨씬더많은융통성이있음을알수있다 고덧붙였다
2. 뇌작동, 예상보다 10 배빠르다 ( 계속 ) 신경가지들에서뉴런의비밀생명발견 뇌가어떻게작동하는지이해하기위해뉴런몸체를살펴보는것은질병진단과치료에서부터컴퓨터구축에이르기까지수많은의학적, 과학적물음에대한뼈대를제공한다. 그러나이뼈대는뉴런몸체가결정을내리고그과정이디지털이라는이해를기반으로하고있다고메타교수는말했다 그는 이번발견에따르면그러한결정은뉴런몸체보다수상돌기에서훨씬더자주이루어지며, 그정보처리는디지털뿐만아니라아날로그로도이루어진다는것을알수있다 고말했다. 메타교수는 기술적어려움으로인해뇌기능연구가주로뉴런세포체에초점을맞추고있으나우리는광범위한신경가지들에서뉴런의비밀생명을발견했다 며, 이번연구결과는뉴런이어떻게정보처리를하는지에대한이해를크게변화시켰다 고강조했다
3. " 강박장애원인밝혀졌다 " 출처 : e- 헬스통신 * Article: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28070119 불안장애의일종인강박장애 (OCD: Obsessive-Compulsive Disorder) 의원인이밝혀졌다 강박장애란병균이묻었을까봐지나치게자주손을씻는다든가문을잘잠갔는지, 가전제품스위치를제대로껐는지를거듭거듭확인한다거나어떤물건을특정순서대로가지런히정리해야만안심이되는등특정한행동을반복하는심리장애를말한다 독일뷔르츠부르크율리우스-막시밀리안대학 (JMU) 생물학연구소의카이슈박사는뇌세포의특정단백질 (SPRED2) 이부족하면강박장애가발생한다는사실을쥐실험을통해밝혀냈다고사이언스데일리가 16일보도했다 이단백질이부족한쥐는털다듬기 (grooming) 를끊임없이반복하며이단백질을보충해주면이러한과잉행동이진정되는것으로나타났다고슈박사는밝혔다 Videotaping of single mice before and after 2 weeks of fluoxetine treatment revealed an increased duration of grooming events in SPRED2 KO mice as compared with WT at baseline. *Fluoxetine : Selective serotonin reuptake inhibitor
3. " 강박장애원인밝혀졌다 ( 계속 ) 이단백질은세포의중요한신호전달경로 (Ras-/ERK-MAP kinase cascade) 를억제하는데이단백질이부족하면이신호전달경로가지나치게활성화되면서과잉반응을유발하게된다고그는설명했다 이단백질은체내의모든세포에있지만, 특히수의운동 (voluntary movement) 의조절에관여하는뇌부위인기저핵 (basal ganglia) 과감정을조절하는부위인편도체 (amygdala) 에서집중적으로만들어진다고그는밝혔다 이새로운발견은강박장애와문제의신호전달경로사이에연관이있음을증명하는것이며따라서이신호전달경로가강박장애의치료표적이될수있을것으로슈박사는전망했다 이신호전달경로의과잉발현을억제하는약물은이미개발돼있으며그중일부는임상용으로도승인돼있다 이약들은암치료에쓰이고있는데그이유는문제의신경전달경로활성화가빈번히암을유발하기때문이라고연구에참가한멜라니울리히박사는밝혔다 현재강박장애치료에는항우울제가사용되고있다. 그런데쥐실험에서도항우울제가쥐들의반복행동을억제하는데효과가있는것으로밝혀졌다 이연구결과는영국의의학전문지 ' 분자정신의학 '(Molecular Psychiatry) 최신호에실렸다
4. " 치매발생초기과정기존학설과달라 치료방향도달라져야 " 출처 : e- 헬스통신 * Article : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=pre-plaque+conformational+changes+in+alzheimer%e2%80%99s+disease-linked+a%ce%b2+and+app 스웨덴연구팀, 베타아밀로이드응집과정최초로밝혀 스웨덴연구팀이세계에서성능이가장우수한입자가속기인맥스4 싱크로트론 (MAX IV synchrotron) 으로알츠하이머치매의 ' 주범 ' 으로알려진뇌세포표면단백질베타아밀로이드의응집과정을세계최초로밝혀내는데성공했다 스웨덴룬드 (Lund) 대학실험신경학교수군나르구라스박사는베타아밀로이드의응집과정은지금까지논란의여지가없었던정설과는다르며따라서치료의방향도달라져야한다는연구결과를발표했다고사이언스데일리와 UPI통신이 13일보도했다 알츠하이머치매의원인은뇌세포의표면에있는베타아밀로이드라는단백질이서로응집을일으키면서형성되는노인반 (senile plaque) 이라는것이정설이다. 이베타아밀로이드플라크가침착되면서독성을갖게돼결국뇌세포는죽게된다는것이다 베타아밀로이드플라크는거의순간적으로 (instantaneously) 나타난다는것이과학자들의일치된의견이다. 그래서 ' 팝콘플라크 '(popcorn plaque) 라는명칭도생겼다 그러나베타아밀로이드플라크의형성은단계적인과정을거쳐의외로서서히진행된다는사실이맥스4 싱크로트론입자가속기를이용한관찰결과확인됐다고구라스박사는밝혔다
4. " 치매발생초기과정기존학설과달라 치료방향도달라져야 ( 계속 ) 우선베타아밀로이드는단일펩타이드 (single peptide) 가아니고 4개의펩타이드가한단위를이루는 4분자체 (tetramer) 라는사실이밝혀졌다 이 4개의펩타이드가비정상적으로분리되면서베타아밀로이드응집이시작되고결국에는플라크형성으로이어진다고구라스박사는설명했다 아밀로이드질환에는치매말고도트랜스시레틴아밀로이드증 (transthyretin amyloidosis) 이라는것이있다 이질환은아밀로이드 4분자체의붕괴가핵심원인으로밝혀졌다. 이병에는이미치료제가있어임상에사용되고있다. 이약은 4분자체를안정시켜병의진행을지연시킨다 베타아밀로이드를없애려고할게아니라이와유사한방법으로안정시키는것이장차치매치료제개발의새로운방향이될수있을것이라고구라스박사는제시했다 그의연구팀은지금베타아밀로이드의응집과정이시작되기전에진행되는상호작용의패턴을분석하고있다 이를통해베타아밀로이드의분해를막을수있는방법을찾아낸다면치매치료법개발에커다란전환을가져올수있을것으로기대된다 이연구결과는영국의과학전문지 ' 네이처커뮤니케이션 '(Nature Communications) 최신호에발표됐다
5. 뇌모방 시냅스소자개발 초소형 초저전력 AI 구현기대출처 : 사이언스타임즈 * Article: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=screening+with+an+nmnat2-msd+platform+identifies+small+molecules+that+modulate+nmnat2+levels+in+cortical+neurons 국내연구진이인간의뇌에서신경세포를서로연결하는기능을하는시냅스를모방, 스스로선택해학습할수있는인공지능 (AI) 시냅스소자를개발했다 건국대물리학과박배호교수팀은 13일외부전기장없이도전기분극 ( 分極 ) 을보이는강유전체분극전환과외부전기장에의해금속원자가산화돼이동하는 금속이온이동 을이용, 인간뇌와비슷한크기의인공지능을만들수있고에너지소모도매우적은시냅스소자를개발했다고밝혔다 현재사용되는인공지능하드웨어는실리콘반도체기반의기존컴퓨터를사용해부피가크고에너지소모가많은단점이있다 하지만인간뇌에서는 1천조개의시냅스가기억 학습 판단기능을수행하면서도전력소모는 10W에불과할정도로에너지효율과집적도가높아이를인공지능시스템에적용하려는연구가활발히진행되고있다
5. 뇌모방 시냅스소자개발 초소형 초저전력 AI 구현기대 ( 계속 ) 박교수팀은이연구에서 4nm ( 나노미터 =10억분의 1m) 두께의강유전체 (PZT) 초박막을금속이온이동을위한선택적전해질로사용, 간단한구조의시냅스소자 (Ag/PZT/LSMO) 를제작했다 이는강유전체분극전환과금속이온이동을결합, 온 / 오프 (on/off) 신호비율이작은강유전체의단점과단일소자내에서시냅스가소성을제어하기어려운금속이온이동의단점을극복한것이다 연구진은이시냅스소자는두께가기존소자의 2분의 1 20분의 1 정도로매우얇아같은면적에고밀도로쌓을수있고에너지소비량도매우적으며, 기능도단순학습 기억에그치지않고스스로선택적으로학습 기억을할수있다고설명했다 이소자의온 / 오프신호비율은단일소자에서 1천만배나되고에너지소비량도외부자극으로전기적신호가점차강해지는시냅스강화에서 22aJ( 아토줄 ), 신호가점차약해지는시냅스약화에서 2.5pJ( 피코줄 ) 로실제뇌와비슷한수준인것으로나타났다 박교수는 이연구는인간의뇌만한크기의인공지능하드웨어로응용할수있는자가선택적학습제어가가능한초저에너지고집적시냅스소자를개발한것 이라며 앞으로인간뇌신경을모방한시스템개발에기여할것으로기대한다 고말했다 한국연구재단리더연구자지원사업지원으로수행된이연구결과는국제학술지 나노레터스 (Nano Letters, 2월 25일자 ) 에게재됐다
6. 고의적범죄자의뇌는매우다르다뇌영상분석으로일급 이급살인자구분가능해, 출처 : 사이언스타임즈 * Article: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=predicting+the+knowledge%e2%80%93recklessness+distinction+in+the+human+brain 과학자들이사람뇌 (brain) 와마음 (mind) 의관계를깊이파헤치기시작했다. fmri( 자기공명영상 ) 란기술덕이다. fmri란핵자기공명현상을이용해물질이나인체등의내부상태를영상화시킬수있는기술을말한다 그리고지금이기술을이용해불가능할것같았던연구결과를내놓고있다. 14일 가디언 지에따르면버지니아공대신경과학자리드몬터규 (Read Montague) 교수가이끄는국제연구팀은마약등의밀수업자등범죄인을대상으로뇌영상을스캔했다 이연구에는유사한형태의범죄를저지른 16~45세연령대 41명의죄수가참여했다. 연구팀은이두부류의사람들을 fmri로촬영한후인공지능의기계학습 (machine learning) 기능을활용해이들의뇌영상을분석했다고의적범죄인의뇌는매우달라 그리고 고의로 (on purpose) 범죄를저지른사람과 순수한실수로 (sheer reckless) 법을어긴사람을구분할수있었다. 분석결과고의로범죄를저지른사람의뇌가난폭운전을한사람보다더활성화돼있었다
6. 고의적범죄자의뇌는매우다르다 ( 계속 ) 이는범죄와관련, 고의로범죄를저지른사람의뇌세포가훨씬더활발한활동을하고있다는것을말해주고있다. 리드몬터규교수는 고의로사고를저지른사람과그렇지않은사람간에큰차이를보였다 고말했다 범행의도 ( 라틴어 Mens Rea) 는미사법제도에서중요한의미를담고있다. 의도적인위해행위와실수나사고로인한위해행위를구별해왔는데어떤사람이다른사람의목숨을빼앗았다고해서이런행위를언제나살인이라고하지않는다 만일정상적인정신상태를가진사람이고의적으로저질렀다면 일급살인 이라고보고최고의형량을구형한다. 그러나술집같은곳에서말다툼을하다가흥분해살인을저질렀다면 이급살인 이된다 이경우형량이크게줄어드는데운전부주의로교통사고를일으켜피해자가목숨을잃는경우 과실치사 와유사한경우다. 법의눈으로보았을때의도적으로다른사람의목숨을빼앗은행위에비해훨씬가벼운죄목이다 13일 더타임즈 (The Times) 지에따르면재판정에서고의적범죄여부를판별하는일은매우중요하면서어려운과정이다. 범죄혐의를받고있는많은피의자들이자신의범죄의도를솔직히밝히지않기때문이다 그러나법정에서는의도적인범죄와비의도적인범죄사이에형량차이가매우크기때문에그차이를꼭판별해야한다. 오랜기간동안법정에서골치를앓고있었던고의범죄여부를지금과학자들이판독하고있는중이다뇌영상의법정자료가능성타진 과학자들은그동안범죄인의뇌가보통사람들의뇌와매우다르다는점을확인해왔다. 그러나같은범죄인이라도고의범죄인지의여부를밝혀내는데는기술적인어려움을겪어왔다. 그러나최근첨단영상및인공지능기술이출현하면서불가능한것을가능하게하고있다
6. 고의적범죄자의뇌는매우다르다 ( 계속 ) 첨단장비가동원된몬터규교수팀의연구결과는고의적인범죄와그렇지않은범죄인간에뇌활동에있어큰차이가있음을분명히보여주고있다. 고의적범죄여부를놓고이같은연구결과가발표된것은이번이처음이다 몬터규교수팀이작성한연구논문은 12일미국립과학원회보에게재됐다. 교수는미국립과학원 (PNAS) 회보를통해발표됐다. 연구에참여한과학자들은이번연구결과가고의적범죄와관련된법적논의과정에서중요한자료가될수있다고보고있다 또한법정에서는고의적범죄를입증하기위한증거자료가될수있다고보고있다. 논문과관련교수는 이번에공개한뇌영상이모든범죄인에게동일하게해당되는것은아니다 라고말했다 그러나범죄인의의도에따라뇌활동이여러가지형태로달라질수있다는것을확인할수있었다 며, 뇌영상스캔이법정자료로받아들여질경우법조계전반에큰변화를불러일으킬것으로예상했다 법조계에서이연구결과를어떻게받아들일지는미지수다. 법학자들간의후속적인논의가요구되고있다. 뇌과학자들은그러나매우다양한분야에서뇌영상을스캔하고있는중이다. 자료가축적될경우어느정도결론에이를것으로추정하고있다 특히모의범죄자 (mock crimer) 들의자료가늘어날경우법정에서참고자료로활용할가능성이매우큰것으로보고있다. 범죄를하게된계기와관련해서도고의적인지, 아니면마약복용, 정신적장애에의한것인지여부를결정하는데도움을줄수있을것으로보고있다 과거에발생한사건에대해서도재조사가이루어질수있다고주장하고있다. 범죄혐의자가과거범죄현장영상을보고있는가운데그 ( 혹은그녀 ) 의뇌를스캔할경우과거사건이지만그의의도를파악할수있을것으로보고있다 영국개방대학의신경과학자라이자클레이돈 (Lisa Claydon) 교수는 fmri가없었다면사람의마음을지금처럼자세히들여다볼수없다 고말했다. 또한범죄와관련된영상자료가축적될경우법적인판단에큰도움을줄수있을것으로내다봤다
7. 렘수면단계, 뇌세포피로회복 기억형성보조출처 : e- 헬스통신, 이닥터스 * Article: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=differential+modulation+of+global+and+local+neural+oscillations+in+rem+sleep+by+homeostatic+sleep+regulation 국내연구진이쥐실험을통해새벽에주로일어나는렘수면단계에뇌의활동의일부비밀을밝혀냈다 한국과학기술연구원 (KIST) 은최근원내최지현박사팀이쥐의뇌에전극을삽입, 렘수면단계에서느린뇌파와빠른뇌파를모두관측했다고 13일밝혔다 느린뇌파는뇌세포에쌓인피로가줄어들때, 빠른뇌파는학습 기억형성을수행할때나타난다고알려져있다 렘수면시두뇌파가모두관측됐다는것은이단계에서신경세포의회복은물론기억형성이동시에일어남을입증하는것이고연구팀은설명했다 연구팀은또쥐가잠을자지못하면뇌부위중전두엽과해마를잇는신경세포들의활동이증가하고이로인해다른기억이제대로형성되지않도록혼선을일으킨다는것도확인했다 느린주파수와빠른주파수진폭변화를그린뇌파맵
7. 렘수면단계, 뇌세포피로회복 기억형성보조 ( 계속 ) 최지현박사는 " 특히치매환자에게는렘수면감소등수면단계에변화가있다고알려졌다 " 며 " 이번연구결과는치매같은뇌질환과수면사이의관련성을 연구하는데활용될수있을것 " 이라고말했다 한편이연구는국가과학기술연구회 (NST) 주관치매 DTC 융합연구단사업으로수행됐으며연구결과는최근국제학술지 ' 미국국립과학원회보 (PNAS)' 에게재됐다
02. 과학기술정책및산업동향 1. 한국뇌연구원대강당에서 2017 세계뇌주간행사개최출처 : 대한민국청소년기자단, 한국뇌연구원 2017 세계뇌주간행사가지난 18일, 한국뇌연구원대강당에서열렸다 한국뇌연구원을비롯해대구 경북지역의 7개대학이함께주관한이번행사는 우리뇌의봄여름가을겨울 이라는주제로개최되었다 2002년첫행사개최를시작으로올해 16번째를맞이한 세계뇌주간 행사는 ' 세상을바꿀뇌과학 ' 을주제로전국 10개도시, 14개의대학및연구소에서약 3000명의학생 일반인을대상으로개최된다 본행사에는 뇌졸중을넘어웰빙의시대로! ( 서정규경북대의학전문대학원명예교수 ), 성장하는어른의뇌 ( 유성운디지스트뇌 인지과학전공교수 ), 뇌와착시 ( 정수근한국뇌연구원뇌신경망연구부선임연구원 ), 브레인안티에이징 ( 신정훈대구가톨릭대뇌공학연구센터장 ) 등의 4명의교수의강연이진행되었다 4개의강연후에는강연을들은사람이강연자들에게질문을던지는브레인토크시간도마련되었다 강연뿐만아니라치매실험실연구체험, 뉴로피드백체험, 뇌기능알아가기 (3D 뇌모형퍼즐 ) 등의고등학생을대상으로한여러체험들이진행되었다. 또한, 모든연령을대상으로한종이뇌모형만들기, VR 뇌탐험, 뇌퀴즈풀기등의체험도마련되었다
02. 과학기술정책및산업동향 2. 우울증 치매등뇌질환까지의료기기로치료출처 : e- 헬스통신 병원용부터개인용웨어러블장비까지가지각색 전기와자기를이용해뇌에자극을줌으로써우울증을치료하거나심지어치매까지치료할수있는의료기기가등장하고있다 14일업계에따르면우울증을치료할수있는의료기기로지난 2013년리메드가경두개자기장자극기를개발한데이어최근에는와이브레인이웨어러블기기를선보이는등의료기기업체들의신개념기기에대한연구개발이지속되고있다 의료기기스타트업와이브레인은최근자사의심리요법용 뇌용전기자극장치인 'Mindd(YDS-301N)' 에대해식품의약품안저처로부터 3등급의료기기로품목허가를받았다 이기기는우울증약을복용하는환자의약물치료효과를개선할수있는기기로우울증환자의주의력과기억개선에도움을준다 와이브레인은국내에서 96명의환자에대한임상시험 3상을끝마쳤으며앞으로미국, 유럽등에서판매허가를추진할계획이다 와이브레인은보건복지부신의료기술평가를받은뒤본격적인판매에나서기로했다 경두개자기장자극기 (TMS) 개발회사인리메드는현재산업통상자원부의산업기술혁신사업 ( 수요자연계형기술개발사업 ) 지원을받아난치성뇌질환치료용 3.5 테슬라급 6채널자기자극및정보피드백을위한진단훈련용융합부품개발사업을추진중이다 이사업은초기치매환자의인지기능회복을위한 3.5테슬라급 6채널자기자극장치및인지기능훈련소프트웨어개발을목적으로한다
02. 과학기술정책및산업동향 2. 우울증 치매등뇌질환까지의료기기로치료 ( 계속 ) 리메드는이사업에서치매치료용고출력 TMS 개발을담당한다 리메드에따르면자사의 TMS인 'ALTMS' 는두개골을열지않고자기장을투과시켜뇌를자극하는의료기기로지난 2013년우울증치료목적으로식품의약품안전처로부터품목허가를받은바있으며뚜렷한효과를보이는약물이없는치매치료시장에서경증환자까지효과를보였다 에이모션은지난해미국보스턴브릭햄앤우먼스병원과비수술적뇌질환치료용의료기기관련특허 3건에대해특허권양수도계약을체결하고해당의료기기를개발중이다 이계약으로양수받은특허권은 경두개저강도초음파전달장치및이를이용한비침습적뇌기능조절방법 집중초음파를이용한비침습적침술기기 집중초음파를생체조직에투과하기위해반고체수화젤을이용한장치및그제조방법이다 현재브릭햄앤우먼스병원과개발중인비수술적뇌질환치료용의료기기에사용되는핵심기술로우울증 불안장애부터뇌졸증 치매 비만등각종뇌질환을효과적으로치료할것으로에이모션은기대하고있다 에이모션은오는 2020년상용화할목적으로올해안에연구용프로토타입제품을생산할계획이다
02. 과학기술정책및산업동향 3. 신경전극기술개발, 의료기기시장상용화기대출처 : e- 헬스통신 국내연구진이신경장애치료에도움이되는신경전극을개발하는데잇따라성공했다 이에따라향후국내의료기기시장기술력향상에도움이될것으로기대를모으고있다 15일업계에따르면국내연구진이중추신경계및말초신경계질병, 뇌신경계질병을치료할수있는신경전극개발에성공했다 자극에의해발생하는신호기록가능한신경전극개발성공 국내연구진이안정적이고효율적으로자극에의해발생하는신호를기록할수있는신경전극개발에성공했다 이기술은중추신경계와말초신경계질병및손상에의해발생하는신경장애의치료를위한목적으로사용되는신경전극기반신경신호감지 / 제어시스템연구에도움이될전망이다 경희대학교치과재료학교실권일근교수와허동녕박사가건국대수의과대학도선희교수팀, 한국과학기술연구원 (KIST) 이수현박사팀과공동으로이같은신경전극을개발했다 연구팀은 ' 스펀지형태의다공성나노섬유구조체표면에은나노입자를결합, 말초신경계의신경신호를오랜기간동안안정적으로측정가능한신경전극구조를만들었다 최근중추신경계와말초신경계에서신경치료는생체신경신호의측정및자극이가능한이식형신경전극을기반으로하는치료방법이주목받고있는데주로척추손상환자의재활과치료, 시신경자극을통한인공시각구성, 정신적질환의치료를위한뇌심부자극술등의치료및재활에폭넓게활용되고있다 하지만실리콘이나고분자필름을하부구조로제작된신경전극은 물질투과성이낮아충분한영양소와산소공급이힘들고 신경조직에비해상대적으로기계적강도가높아이식부위에상처 (scar) 가발생하며 염증반응으로신경전극이부위조직과차단돼장기간전기신호검출이어렵다는한계가있었다
02. 과학기술정책및산업동향 3. 신경전극기술개발, 의료기기시장상용화기대 ( 계속 ) 이에연구진은염증억제와미세한신경신호검출을위해신경전극의유연성과물질투과성을향상시킨높은감도를갖는신경전극을개발했다 은나노입자와전도성고분자를전극으로구성된신경전극의하부구조는폴리이미드나노섬유를사용, 기존의신경전극에비해월등히향상된유연성과투과성을보였으며체내이식후신경조직을검사한결과변형이나위축등아무런손상이발생하지않는것을확인했다 그결과신호감도가뛰어나고동시에오랜기간동안안정적인신경신호가가능한신경전극을개발할수있었다 연구팀은이번에개발된기술을이용하면각종신경자극및재생을위한생체내이식소자의생체적합성향상을통한기능성 / 안정성향상에기여할수있을것으로기대하고있다 권일근교수는 " 이기술은중추및말초신경계질환을치료할수있는안정적인신경신호검출의개발뿐만아니라각종생체신호의감도를탐지 / 분석하는생체전극시스템의개발측면에서도상당한의미가있다 " 고말했다 그는이어 " 기술은각종이식형디바이스의기능을업드레이드시키는데활용될가능성을제시한것 " 이라며 " 향후국내의료기기시장의기술력향상에기여할것 " 이라고덧붙였다. 이연구는미래창조과학부의공공복지안전연구사업의지원으로개발됐으며연구결과는최근미국화학학회 (ACS) 에서발간하는나노분야국제학술지 'ACS NANO' 온라인판에게재됐다. 신경전극개발, 뇌신경계질환자의기능회복및뇌학습연구등에탄력 한국전자통신연구원 (ETRI) 은최근원내정상돈시냅스소자창의연구실장팀이스펀지처럼구멍을많이뚫은다공성 ( 多孔性 ) 금 (Au) 나노구조체와이리듐 (Ir) 산화물나노박막을결합, 신경세포에전기자극 ( 고효율로전하주입 ) 이가능한신경전극구조와제작기술을개발했다고발표했다 뇌신경연구를위해서는뇌신경신호를고감도로검출이가능하고신경조직을효율적으로자극도할수있는신경전극이필요하다
02. 과학기술정책및산업동향 3. 신경전극기술개발, 의료기기시장상용화기대 ( 계속 ) 하지만기존백금이나나노입자, 나노선등으로만들어진신경전극은표면적이작아전하주입효율이낮고, 기계적강도가현저히떨어진다는단점이있었다 연구팀은그동안전극크기는작지만잡음 (noise) 이크지않으면서효율적인전기자극이가능한전극을구현하기위해평면전극에스펀지와같은 50 nm( 나노미터 ) 구멍크기의다공성금나노구조체를형성하고, 10 nm 이하의두께로이리듐산화물을나노구조체표면에얇게코팅하는공정을개발했다 그결과신호감도가뛰어나고동시에전기자극효율이향상된신경전극을개발할수있었다 이를통해다공성금나노구조체와이리듐산화물을결합함으로써시너지를얻어전극의성능을향상시키는데성공한셈이라고연구팀은설명했다 연구팀은또개발한전극을쥐의뇌신경조직에적용, 자극반응에따른신경신호를측정한결과 0.1 V( 볼트 ) 의아주낮은자극에서도반응신호검출이가능했다 아울러뇌신경에공급되는전하주입효율이세계적으로 15% 이하의수준이었는데연구진은이를 25% 까지끌어올려 3~5 V의자극에활발하게반응함도확인했다 ETRI가개발한이전극제작기술은인체삽입용으로개발중에있는유연전극및침전극에도손쉽게적용가능한공정으로뇌과학분야등발전에큰기여를할것으로연구진은기대했다 이신경전극제작기술의경우모두전기화학적방법을사용하기때문에비용이적게들고다공성제어및이리듐산화물박막두께등다양한변수들의조절이쉬운장점을가지고있다 연구팀은이기술을바탕으로향후뇌이식용유연신경전극제작기술을중점연구개발계획이이며전임상및임상협력시험을통해의학적인효용성을검증할예정이라고전했다 연구팀은개발전극이외에다채널신경신호를측정및분석하고다양한자극기능을가지는연구장비도자체개발, 국내대학및외국에서공동연구용으로활용중이며 5년내개발한신경전극과연구장비를상용화한다는계획이다
02. 과학기술정책및산업동향 3. 신경전극기술개발, 의료기기시장상용화기대출처 : e- 헬스통신 정상돈실장은 " 앞으로고신뢰성뇌-컴퓨터양방향인터페이스를구현할계획 " 이라며 " 관련기술의보급은국내뇌과학수준의제고, 뇌질환자의기능회복을통한고령화대응과분산형인공지능시스템구현에기여할것 " 이라고말했다 한편이연구는미래창조과학부의정부출연금사업과미래융합파이오니아사업의지원으로개발됐으며연구결과는최근학술지 ' 나노레터 (Nano Letters)' 에게재됐다
02. 과학기술정책및산업동향 4. 뇌일부를전자뇌가대체하는 사이보그 나올까... 치매치료부터정신영역확장까지출처 : 조선비즈 누군가는잊고싶은기억이있기마련이고또누군가는잃어버린기억을되찾고싶어한다. 전자는전쟁이나고문, 자연재해, 심각한사고등을경험한뒤그경험을다시떠올리며고통을느끼는외상후스트레스장애 (PTSD, Post Traumatic Stress Disorder) 를겪는이들일것이다. 후자는집주소를잊어버리거나가족과의즐거운기억마저잊어버리는치매환자들이다 건강보험심사평가원의보건의료빅데이터통계자료에따르면, 2015년기준국내외상후스트레스장애환자수는 7240명에달한다. 2010년부터 2015년까지 6년간연평균증가율은 3.6% 로해마다늘어나고있다. 2015년기준국내치매환자수도약 64만명으로집계됐으며고령화추세에따라 2025년에는 100만명에이를것으로예측되고있다 뇌과학자들은정상적인생활이어려운 PTSD 치매환자를돕는연구를활발히하고있다. 이들의연구목적은약물을개발해치료하는것이아니다. 기억을조작하고기억능력을향상시키기위해마이크로칩을뇌에삽입하고전기자극으로뇌기능을컨트롤하려는뇌-기계인터페이스 (BMI) 연구다. 과학자들은가까운미래에뇌자극, 보조인공뇌, 뇌의일부를전자뇌로대체하는방향으로진화할것으로보고있다 세계뇌주간 (13~19일) 을맞아뇌과학연구동향을집중적으로살펴봤다. 뇌과학의중요성을알리기위해매년세계각국에서세계뇌주간행사동시에열리며한국에서는한국뇌연구협회와한국뇌연구원주최로전국 14곳에서다채로운행사가펼쳐진다 마이크로칩뇌에삽입해마비환자촉감되찾고기억도조작 뇌-기계인터페이스연구는사지가마비된장애인이촉감을느끼거나움직이도록하는연구에활발하게적용되고있다. 2016년미국피츠버그대로버트곤트교수연구진이교통사고로팔다리가마비된환자의뇌를전극으로자극해로봇손의촉감을인식하는실험에성공한게대표적이다 연구진은촉감을담당하는마비환자뇌의부위에미세한전극 2개를넣었다. 환자옆에는팔과손형태의로봇을두고로봇의손가락에는압력센서를달았다. 로봇손가락압력센서로감지하는변화를전기신호로바꿔환자의뇌에이식한전극에전달했다. 마비환자는로봇팔이느끼는촉감을그대로느꼈다
02. 과학기술정책및산업동향 4. 뇌일부를전자뇌가대체하는 사이보그 나올까... 치매치료부터정신영역확장까지 ( 계속 ) 호주멜버른대연구진도뇌주변혈관에임플란트방식의이식물을삽입해뇌의신호를전기신호로바꿔인공팔이나휠체어등에전달, 원하는대로움직이는실험을올해진행할계획이다 연구진은 스텐트로드 라고이름붙인작은전극을만들어뇌의뉴런에서나오는신호를받아들이도록했다. 스텐트로드는두개골을절개하는수술없이환자의목에있는정맥에삽입해뇌근처혈관에자리잡을수있는게특징이다 이같은뇌-기계인터페이스연구는갈수록발전해기억을한생물체에서다른생물체로전송하는수준까지이르렀다 미국방고등연구계획국 (DARPA) 연구진은 2014년에는쥐가학습한기억을다른쥐에전달하는데도성공했다. 먼저실험쥐한마리의뇌에마이크로칩을넣은뒤 2개의레버가있는공간에뒀다. 2개중 1개의레버를건드리면쥐가좋아하는먹이가나오도록했다 실험쥐는한참동안탐색을한뒤먹이가나오는레버를기억하고반복해서건드리는행동을했다. 이과정에서측정된전기신호데이터를삽입한마이크로칩에 담은뒤, 이마이크로칩을빼내다른쥐의해마에집어넣었다
02. 과학기술정책및산업동향 4. 뇌일부를전자뇌가대체하는 사이보그 나올까... 치매치료부터정신영역확장까지 ( 계속 ) 이두번째쥐는탐색과정없이바로먹이가나오는레버를찾아갔다. 한쪽의기억을전기신호로저장해다른쪽에전달한것이다. 연구진은작년원숭이를대상으로한같은실험에실패했지만연구를이어간다는계획이다 이에앞서연구진은 2012년뇌의해마기능이망가져장기기억을하지못하는쥐가장기기억을회복하는실험에도성공했다. 장기기억에관여하는해마의특정영역에마이크로칩을삽입해해마로들어오는장기기억신호를조절한것이다 임창환한양대전기생체공학부교수는 마이크로칩을뇌에삽입해서기억을조절하는연구가국내외에서활발히이뤄지고있다 며 기억뿐만아니라인지능력, 계산능력등을높이기위한동물실험도이미진행되고있어뇌-기계인터페이스연구가마비환자를움직이게하는물리적 기계적영역을뛰어넘어뇌의근본기능인정신적영역까지넘보고있다 고말했다 뇌일부를전자뇌가대체하는 사이보그 나올까 뇌-기계인터페이스연구는마이크로칩을이용한뇌자극수준에서뇌기능을보조하는보조인공뇌, 뇌의일부를 전자뇌 로대체하는방향으로발전할전망이다. 특히뇌에삽입하는마이크로칩이인공지능 (AI) 능력까지겸비하게된다면뇌-인공지능인터페이스로진화하며어마어마한능력을지닌이른바 사이보그 까지등장할수도있다는전망도나온다
02. 과학기술정책및산업동향 4. 뇌일부를전자뇌가대체하는 사이보그 나올까... 치매치료부터정신영역확장까지 ( 계속 ) 이와관련프랑스그레노블에위치한바이오메디컬연구기관인 클리나텍 (Clinatec) 연구진은 스컬일렉트로드 (Skull Electrode) 라고이름붙인전기장치를개발하고작년부터사람을대상으로한임상시험에돌입했다 스컬일렉트로드는뇌의신호를읽거나뇌에전기신호를가하는장치로두개골일부를잘라낸후원하는뇌의부위에붙일수있다. 생체에적합한소재로만들어졌기때문에일정시간이지나면두개골처럼뇌를보호하는동시에원하는대로뇌의전기신호를조작할수있다. 한사람에게여러개의스컬일렉트로드를장착할수도있어뇌의일부를전자뇌로대체하는임상시험이진행되고있는것이다 임창환교수는 뇌-기계인터페이스에서뇌-컴퓨터인터페이스로발전하고컴퓨터가인공지능능력을갖게되면뇌-인공지능인터페이스로진화할수있다 며 생물학적뇌와전자뇌를결합한구조의기계인간도 10여년뒤에는나올수있을것 이라고밝혔다
감사합니다