KAIST 학부생이 쓴 논문, 저명 국제학술지 표지 논문에 선정

이번 연구성과가 게재된 뇌신경분야 국제학술지 '저널 오브 뉴로사이언스' 표지/사진=KAIST

대학 학부생이 쓴 연구논문이 뇌신경과학 분야 국제학술지 표지 논문에 선정됐다.

카이스트(KAIST)는 바이오·뇌공학과 4학년에 재학 중인 김진우 학생이 참여한 연구 논문이 뇌신경과학 분야 저명 국제학술지 ‘저널 오브 뉴로사이언스’의 표지 논문으로 선정됐다고 21일 밝혔다. 이번 논문은 두뇌에서 시각 정보처리를 담당하는 영역인 시각 피질에서 관측한 주요 신경망 연결 구조 중 하나인 ‘장거리 수평 연결’이 두뇌 발생 초기에 형성되는 원리를 규명한 것으로 백세범 교수가 교신저자, 송민 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여했다.

연구팀은 이 연구를 통해 아직 시각적 학습이 이뤄지지 않은 어린 포유류 동물에서 어떻게 장거리 수평 연결이 형성되는지를 밝혔다. 포유류의 시각 피질에선 신경세포들이 외부 시각 자극의 특정 요소에만 반응하는 ‘신경 선택성’을 보인다. 비슷한 신경 선택성을 지닌 세포들은 공간적으로도 서로 멀리 떨어져 있어도 장거리 수평 연결이라는 특별한 연결망 회로로 이어져 있다.

이런 신경망 연결 구조는 포유류의 시각 인지기능에 중요한 역할을 한다. 하지만 이 회로가 뇌 발생 초기 단계에서 외부 시각 정보에 의한 자극 없이 어떻게 자발적으로 발생하는지 명확히 알려지지 않았다.

연구팀은 어린 포유류 동물이 눈을 뜨기 전 두뇌 발생 초기 상태에 주목해 망막 내 신경세포들의 자발적 활동으로 발생하는 ‘망막 파동’이 두뇌 시각 피질의 신경세포들을 특정 공간 패턴으로 자극하고, 시각 정보 처리에서 핵심 역할을 맡는 ‘장거리 수평 연결’을 형성한다는 사실을 알아냈다. 연구팀은 포유류의 눈 망막 초기 발달과정에서 나타나는 망막 파동이 장거리 수평 연결을 만드는 데 결정적 역할을 한다는 점을 규명했다. 망막 파동은 신경절 세포들이 차례대로 발화하여 파도처럼 패턴이 확산하는 현상을 말한다.

왼쪽부터 백세범 교수, 김진우 학사과정, 송민 박사과정/사진=KAIST

연구팀은 망막 내 신경망 구조 모델을 만든 후 망막 파동 패턴이 시각 피질에 전달돼 신경세포들을 자극하는 과정을 컴퓨터 시뮬레이션으로 확인했다. 그 결과 망막 신경절에서 자발적으로 발생한 망막 파동이 시각피질로 전달되는 과정에서 특이한 선택적 활동 패턴이 나타났다. 또 그것이 시각 피질 내 장거리 연결 구조를 형성한다는 것을 알아냈다. 뇌 피질 내 활동 패턴이 피질 구조를 결정한다는 기존 이론과 달리 망막에서 전달된 활동 패턴이 시각 피질 구조를 만드는 데 중요한 역할을 한다는 새로운 모델을 제시한 것이다.

김진우 학생은 “뇌가 외부 세계의 정보를 처음 경험하기 이전에 어떻게 학습을 하는지를 실험 데이터를 토대로 이론적으로 설명한 연구”라며 “앞으로 데이터 학습이 필요 없는 새로운 형태의 인공신경망 연구에 도움이 될 것”이라고 말했다.