국내 연구진, 뇌에 빔 프로젝터 쏴 영화 상영하듯 ‘뇌 연결 지도’ 제작기술 개발

IBS 김성기 뇌과학 이미징 연구단장‧서울대 최명환 교수팀 공동 연구 결과 “뇌질환·약물중독 치료기술 개발, 뇌기능 연구 등에 활용 기대”
“패턴화 광유전학 자극으로 살아있는 쥐 대뇌 피질 활동 자유롭게 조절... fMRI로 뇌 전체 스캔해 연결 지도 제작”

광유전학 기능적 자기공명영상(fMRI) 시스템. 기초과학연구원 제공

뇌에 빔 프로젝터를 쏴서 영화를 상영하듯이 ‘뇌 연결지도’를 만드는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 

이번 결과로 뇌 전체의 유효·구조적 연결성을 직접 비교해 뇌의 구조와 기능을 심층적으로 연구할 수 있게 될 것으로 기대된다. 앞으로 약물이나 질병, 생리학적 원인으로 변한 뇌 기능과 특정 뇌 회로의 연관성을 살펴보는 데도 활용될 수 있다고 연구팀은 기대했다. 

기초과학연구원(IBS)은 뇌과학 이미징 연구단 김성기 단장(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수)과 서울대 생명과학부 최명환 교수 공동 연구팀이 빔 프로젝터로 패턴화한 광유전학적 자극으로 살아있는 쥐의 대뇌 피질 활동을 자유롭게 조절하고, 기능적 자기공명영상(fMRI)으로 뇌 전체 영역을 스캔해 뇌 연결 지도를 만드는 기술을 개발했다고 31일 밝혔다. 

광유전학(Optogenetics)은 ‘빛(Opto)’과 ‘유전학(Genetics)’을 결합한 단어로, 유전학적 기법을 이용해 특정 세포에 빛을 감지할 수 있는 단백질을 발현시키고 빛을 이용해 세포를 제어하는 기술이다. 

지금까지 광유전학 fMRI는 침습적 수술로 뇌의 목표 영역에 광섬유를 삽입한 뒤 빛을 전달해 자극하는 방식으로 이뤄졌다. 하지만 이 방식은 뇌에 예기치 않은 손상을 입힐 수 있으며, 하나의 실험개체에 많은 광섬유를 삽입할 수 없는 한계가 있었다. 

대뇌 피질의 특정 영역에 빛을 쏜 뒤 뇌 전체의 변화를 기능적 자기공명영상(fMRI)로 측정하는 개념도. 기초과학연구원 제공

연구팀은 기존의 광섬유를 삽입하는 방법 대신 쥐의 대뇌 피질에 직접 빛을 쏘는 방법을 고안했다. 

이로써 뇌의 원하는 영역에 원하는 패턴을 자유자재로 생성할 수 있고, 한 번의 실험으로 여러 영역에 자유롭게 광 자극을 전달하는 것이 가능해졌다.

연구팀은 이 기술을 이용해 하나의 실험개체로 다양한 뇌 영역들을 순차적으로 자극했고, fMRI로 전체 뇌를 스캔해 얻은 대량의 뇌 활성반응 데이터를 통해 뇌 영역 간 상호작용의 인과적 관계를 나타내는 유효 연결성 지도를 완성할 수 있었다.

연구팀은 동물 연구에 널리 쓰이는 마취제 ‘이소플루레인’과 ‘케타민-자일라진’을 이용해 서로 다른 마취 조건에서 뇌의 유효 연결성을 비교 분석했다. 

그 결과, 이소플루레인이 특정 대뇌 피질의 영역과 중뇌 영역 간 연결성을 선택적으로 약화시키는 것을 발견했다. 

광유전학 기능적 자기공명영상(fMRI) 시스템. 기초과학연구원 제공

이는 패턴화한 광유전학 자극을 사용한 fMRI가 특정 뇌 상태에 의해 유도된 유효 연결성 변화를 효과적으로 측정할 수 있음을 보여주는 것이라고 연구팀은 설명했다.

김성기 단장은 “살아있는 동물의 다양한 대뇌 피질 영역에서 전체 뇌로 이어지는 기능적 회로 지도를 만들고, 뇌의 상태에 따른 변화를 측정하는 혁신적인 기술”이라며 “뇌 전체의 유효 연결성과 구조적 연결성을 직접 비교해 뇌의 구조와 기능에 대한 심층적인 연구가 가능해졌다”고 말했다.

이어 “향후 약물이나 질병 또는 생리학적 원인으로 변한 뇌 기능과 특정 뇌 회로의 연관성을 연구하는 데 활용될 수 있다”며 “뇌 질환 및 약물 중독의 신경생리학적 원리를 규명하고 치료 기술을 개발하는 데 기여할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

이번 연구 성과는 뇌과학 분야 권위지 ‘뉴런’(Neuron)에 온라인 게재됐다.

이승구 온라인 뉴스 기자 [e-mail]