이번 연구성과가 게재된 뇌신경분야 국제학술지 '저널 오브 뉴로사이언스' 표지.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] KAIST 바이오및뇌공학과 대학생의 연구논문이 뇌신경과학 분야 저명 국제학술지에 표지논문으로 게재됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 바이오및뇌공학과 4학년에 재학 중인 김진우 학생이 백세범 교수의 지도하에 두뇌의 시각 피질에서 관측되는 주요 신경망 연결 구조 중 하나인 ‘장거리 수평 연결’이 두뇌 발생 초기에 형성되는 원리를 규명한 연구결과가 뇌신경과학 분야 국제학술지 ‘저널 오브 뉴로사이언스'의 표지 논문으로 선정됐다고 21일 밝혔다.

왼쪽부터 백세범 교수, 김진우 학사과정, 송민 박사과정.[KAIST 제공]

시각 피질이란 두뇌에서 시각 정보처리를 담당하는 영역. 망막 신경망 영역을 통해 입력받은 외부 공간에 대한 시각 정보를 처리하여 인지 과정을 구현하는 기능성 신경망 구조로 이루어져 있다.

연구팀은 이번 연구를 통해 어린 포유류 동물이 눈을 뜨기 전, 시각적인 학습이 전혀 이뤄지지 않은 상태, 즉 두뇌 발생 초기 상태에서 망막 내 신경세포들의 자발적인 활동으로부터 발생하는 망막 파동이 두뇌 시각 피질의 신경세포들을 특정한 공간적 패턴으로 자극하고, 이를 통해 시각 정보 처리에서 중요한 역할을 담당하는 ‘장거리 수평 연결’을 형성한다는 사실을 밝혀냈다.

포유류의 시각 피질에서는 신경세포들이 외부 시각 자극의 특정 요소에만 선택적으로 반응하는 신경 선택성을 보이는데, 비슷한 신경 선택성을 가지는 세포들은 공간적으로 멀리 떨어져 있어도 장거리 수평 연결이라는 특별한 상호 연결망 회로로 이어져 있다. 이처럼 특이한 신경망 연결 구조는 포유류의 시각 인지기능에 중요한 역할을 하는 것으로 생각돼왔지만, 이러한 회로가 뇌의 발생 초기 단계에서 외부 시각 정보에 의한 자극 없이 어떻게 자발적으로 발생하는지는 아직까진 명확히 알려진 바가 없었다.

연구팀은 망막 내 신경망 구조를 모델화하고, 이를 통해 망막 파동의 패턴이 시각 피질 내 구조 형성에 미치는 영향을 시뮬레이션했다. 그 결과 망막의 신경절에서 자발적으로 발생하는 망막 파동이 시각 피질로 전달되는 과정에서 형성되는 선택적 활동 패턴이 시각 피질 내의 장거리 연결 구조를 형성함을 밝혀냈고, 이 모델을 기반으로 동물실험에서 관측되는 초기 시각 피질의 특징적인 신경 활동 패턴을 재현하는 데 성공했다.

망막 파동으로부터 시뮬레이션된 시각 피질의 장거리 연결과 실제 뇌에서 발견되는 장거리 연결의 양상.[KAIST 제공]

이 결과를 기반으로 연구팀은 뇌 피질 내에서의 활동 패턴이 피질 구조를 결정한다는 기존 모델의 오류를 지적하는 한편, 망막에서 전달된 활동 패턴이 시각 피질의 구조를 형성하는 데 결정적인 영향을 끼친다는 새로운 발생 모델을 제시했다.

김진우 학생은 “이번 연구는 뇌가 외부 세계에 대한 감각 정보를 처음으로 경험하기 이전에 어떻게 비 지도적으로 학습을 하는지에 대해, 알려진 실험 데이터에 기반한 명확한 이론적 설명을 제공한다ˮ면서 ”이와 같은 방향의 연구가 향후 데이터 학습에 의존하지 않는 새로운 형태의 인공신경망 연구에도 큰 도움이 될 것으로 기대된다ˮ고 말했다.

nbgkoo@heraldcorp.com