KAIST 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 뇌파의 생성 및 변조를 담당하는 핵심 신경회로를 밝혀냈다. 이를 통해 뇌의 동작원리를 밝힐 뿐 아니라 향후 여러 뇌질환 환자에게서 발생하는 비정상적 뇌파활동을 신경세포 네트워크 수준에서 규명하는 데 활용 가능할 것으로 기대된다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘셀 리포트’에 지난 6일 자 온라인 판에 게재됐다.

연구팀은 시스템생물학 기반 연구방법을 통해 뇌파의 생성 및 변조 원리를 분석했다. 여러 뇌 영역 중 특히 감각 피질에 주목했다. 감각 피질은 외부 감각 정보를 처리하고 통합·조절하는 핵심 영역으로 여러 주파수 대역의 뇌파와 변조를 관측할 수 있다.

연구팀은 최근 커넥토믹스 연구를 통해 밝혀진 쥐의 감각피질 내 뉴런의 종류 및 뉴런 간 연결성 정보를 이용, 감각피질을 구성하는 뉴런들과 이들을 연결하는 시냅스를 수학 모델을 통해 표현하고 이로부터 신경회로를 구축해 뇌파의 생성 및 변조 과정을 분석했다.

대규모 컴퓨터 시뮬레이션 분석을 통해 흥분성 뉴런과 억제성 뉴런으로 구성된 양성피드백과 음성피드백의 중첩된 구조가 뇌파의 생성 및 주파수 변조 현상의 핵심회로임을 규명했다. 특히 기존 전기생리학 실험을 통해 측정된 뉴런 간 시냅스의 특정 연결강도가 신경회로의 뇌파 생성 및 변조 기능을 극대화시킬 수 있는 최적의 조합임을 밝혀냈다.

이번에 개발한 수학모형을 활용하면 전통적 생물학 실험을 통해 파악이 어려웠던 뉴런들 간의 다양한 상호작용을 이해하고 신경회로의 복잡한 설계원리를 파악할 수 있을 것으로 기대된다. 또 여러 뇌질환 환자의 뇌에서 관측되는 비정상적인 뇌파 활동을 신경네트워크 차원에서 분석하고 규명할 수 있을 것으로 예상된다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com