KAIST, 학부생 논문이 뇌신경과학 분야 저명 국제학술지 표지로 선정 `쾌거`

↑ 망막 파동으로부터 시뮬레이션 된 시각 피질의 장거리 연결과 실제 뇌에서 발견되는 장거리 연결의 양상. [사진 제공 = KAIST]

아직 대학을 졸업하지도 않은 학부생의 논문이 저명한 국제학술지의 표지 논문으로 선정됐다.
21일 한국과학기술원(KAIST)은 바이오및뇌공학과 4학년에 재학 중인 김진우 학생(22세)이 참여한 연구의 논문이 뇌신경과학 분야 저명 국제학술지 '저널 오브 뉴로사이언스'의 표지 논문으로 선정됐다고 밝혔다. 이 논문은 새로운 형태의 인공 신경망 연구에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
이번 연구는 시각적인 학습이 전혀 이뤄지지 않은 포유류의 뇌 발생 초기 단계에서 외부 시각 정보 없이 자발적으로 시각에 필요한 신경망이 형성될 수 있는 원리를 밝혀냈다. 그동안 신경망 연결 구조가 포유류의 시각 인지기능에 중요한 역할을 하는 것으로 생각됐다. 하지만 이런 회로가 뇌의 발생 초기 단계에서 외부 시각 정보에 의한 자극 없이 어떻게 자발적으로 발생하는지는 아직까진 명확히 알려진 바가 없었다.

↑ 망막 파동으로부터 발생하는 시각 피질의 장거리 연결의 모식도. [사진 제공 = KAIST]

연구팀은 망막 내 신경세포들의 자발적인 활동으로부터 발생하는 '망막 파동'에 집중했다. 망막 파동은 초기 발달과정의 포유류 망막 내 세포들이 차례대로 발화해 파도와 같은 파형으로 활동패턴이 확산하는 현상이다. 연구팀은 망막 파동이 두뇌 시각 피질의 신경세포들을 특정한 공간적 패턴으로 자극한다고 규명했다. 이어 이같은 현상이 시각 정보 처리에서 중요한 역할을 담당하는 '장거리 수평 연결'을 형성한다는 사실을 밝혀냈다. 장거리 수평 연결은 특정 외부 시각 자극에만 반응하는 성향인 신경 선택성이 유사한 세포들이 멀리 떨어져 있어도 서로 연결될 수 있는 원리다.
연구팀은 망막 내 신경망 구조를 모델화하고, 이를 통해 망막 파동의 패턴이 시각 피질 내 구조 형성에 미치는 영향을 시뮬레이션했다. 그 결과 연구팀은 망막의 신경절에서 자발적으로 발생하는 망막 파동이 시각 피질로 전달되는 과정에서 형성되는 선택적 활동 패턴이 시각 피질 내의 장거리 연결 구조를 형성함을 밝혀냈다. 연구팀은 이 모델을 기반으로 동물실험에서 관측되는 초기 시각 피질의 특징적인 신경 활동 패턴을 재현하는 데 성공했다.

↑ KAIST 학부과정의 김진우 학생이 참여한 연구의 논문이 표지를 장식한 국제학술지 `저널오브뉴로사이언스`. [사진 제공 = KAIST]

이 연구를 통해 연구팀은 동물실험에서 관측된 시각 피질의 장거리 수평 연결이 형성되는 과정과 주요 인자들을 정확히 확인했다. 이 결과를 기반으로 연구팀은 뇌 피질 내에서의 활동 패턴이 피질 구조를 결정한다는 기존 모델의 오류를 지적할 수 있었다. 동시에 망막에서 전달된 활동 패턴이 시각 피질의 구조를 형성하는 데 결정적인 영향을 끼친다는 새로운 발생 모델을 제시했다.
이번 연구에 참여해 국제학술지 표지 논문을 장식하는 쾌거를 이룬 김진우 학생은 "이번 연구는 뇌가 외부 세계에 대한 감각 정보를 처음으로 경험하기 이전에 어떻게 비 지도적으