전북대 전자공학부 김기현 교수 연구팀이 ‘뉴로모픽(Neuromorphic) 칩’ 핵심 기술인 뉴로 트랜지스터 소자를 개발했다. 전북대는 김 교수 연구팀이 뇌 신경 구조를 모방해 인간의 사고 과정과 비슷한 방식으로 정보를 처리하도록 고안한 반도체를 개발했다고 3일 밝혔다. 이 반도체는 비교적 적은 전력으로 정보 기억과 복잡한 연산 및 학습 기능을 수행할 수 있어 자율 주행 자동차 및 드론, 얼굴인식, 사물인터넷 디바이스 등 4차 산업혁명 기술에 폭넓게 쓰일 것으로 기대된다. 김 교수 연구팀은 독일 드레스덴 공대·헬름홀츠 연구팀과 국제 공동 연구를 통해 뉴로모픽 칩에 ‘졸-겔 실리 케이트’ 물질을 적용한 기술을 개발했다. 이 물질은 다공성 세라믹 구조체로, 내부 이온들이 입력신호에 따라 구멍 사이를 자유롭게 이동하면서 마치 뇌 신경세포(뉴런)를 연결하는 시냅스와 같이 데이터 저장 효과를 유발한다. 또 이온 분극과 확산 현상을 이용해 전자소자의 하드웨어적 학습을 가능하게 하는 인공 신경망 구현도 할 수 있다. 이번 연구 결과는 세계적 전자소자 분야 학술지인 ‘네이처 일렉트로닉스’(Nature Electronics)에 실렸다. 김 교수는 “새롭게 개발한 뉴로 트랜지스터는 전통적 트랜지스터를 기반으로 제작한 인공 시냅스 소자”라며 “이온에 따라 시냅스 가소성을 제어함으로써 인간의 뇌를 가장 밀접하게 모방한 기술”이라고 말했다. 김 교수는 연구성과를 바탕으로 전북대 반도체설계 교육센터(IDEC)와 협력해 4차 혁명 시대를 이끌어 갈 반도체소자 고도화와 상용화를 추진할 계획이다. 전주 임송학 기자 shlim@seoul.co.kr

집에서 만들어 먹는 음식이 아닌 이상 즉석식품이나 각종 가공식품들에는 어쩔 수 없이 음식이 상하지 않게 하거나 색감을 좋게 하거나 맛을 높이기 위해 식품첨가물이 들어가기 마련이다. 인체에 무해하다고는 하지만 식품첨가물이 간접적인 경로를 통해 건강에 영향을 미칠 수도 있다. 국내 연구진이 가공식품 속 들어가는 식품첨가제가 자칫 자폐증을 유발시킬 수도 있다는 연구결과를 내놨다. 한국뇌연구원 신경회로연구그룹 연구팀은 가공식품 속 유통기한을 늘리기 위해 사용되는 식품첨가물인 프로피온산이 장내 미생물의 불균형을 유발시켜 자폐증을 유발시킬 가능성을 높인다고 11일 밝혔다. 이 같은 연구결과는 생물학 분야 국제학술지 ‘몰레큘러 브레인’에 실렸다. 최근 들어 과학계에서는 장내 미생물에 대한 다양한 연구들을 하고 있다. 장은 ‘제2의 뇌’라고 불리며 장에서 흡수된 물질이 혈관을 따라 이동해 멀리 떨어진 뇌까지 영향을 줄 수 있다는 ‘장-뇌 연결축’이라는 개념이 제시되기도 했다. 연구팀은 자폐증을 앓고 있는 아이들이 과민성대장증후군 같은 장관련 질환을 앓는다는 점과 프로피온산을 투여한 쥐가 자폐 유사증상을 보인다는 기존 연구결과에 주목했다. 프로피온산(PPA)는 가공식품 속 유통기한을 늘리는데 사용되는 식품첨가물로 각종 통조림에 포함돼 있다. 연구팀은 생쥐의 신경세포(뉴런)를 배양한 뒤 PPA를 투여하고 해마 신경세포의 형태와 단백질 발현량을 관찰했다. 그 결과 세포내 불필요한 단백질과 세포소기관을 분해하는 자가포식 작용이 제대로 이뤄지지 않아 세포내 노폐물이 축적되고 결국 시냅스 형성에 중요한 역할을 하는 수상돌기 가시가 줄어들면서 뇌 발달이 더뎌진다는 것을 확인했다. 또 PPA가 투여된 세포에서는 세포외 신호조절 효소 경로가 과도하게 활성화된다는 것도 관찰했다.결국 식품첨가물로 사용되는 프로피온산이 체내에 과도하게 유입될 경우 장내 세균의 종류와 숫자에 영향을 미치고 이것이 신경세포에까지 영향을 미쳐 뇌발달이 한창인 아동에게 영향을 미쳐 자폐유사증상을 유발할 수 있다는 설명이다. 문지영 박사는 “이번 연구는 장내 미생물이 뇌에 미치는 여러 영향 중 하나를 밝혀낸 것으로 프로피온산이 뇌에 미치는 영향을 파악함으로써 관련 질환 치료에도 도움이 될 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

오래 기억되는 정보, 습득 1~2초 전에 해마 ‘발화율’ 상승… 인코딩 준비상태 뇌 다른 부분에선 별다른 변화 없어 전문가 “결국 해당 정보에 흥미 갖고 반복·지속 노출이 기억 잘하는 방법”“따뜻한 차와 파삭거리는 빵가루가 입천장에 닿는 순간 갑자기 온몸에 소스라치는 전율이 일었고, 나는 그 자리에 얼어붙어 몸 안에서 일어나고 있는 이상한 현상을 찬찬히 살펴보았다.” 많은 독자들에게 좌절감에 빠지게 만든 마르셀 프루스트의 걸작 ‘잃어버린 시간을 찾아서’의 한 대목이다. 우연한 자극에 의해 의식 저편에 묻혀 있던 기억이 되살아날 수 있음을 보여 주는 대표적인 장면으로 꼽히며 심리학자들은 이런 현상을 ‘프루스트 효과’라고 이름 붙였다. 사실 오래된 기억은 되살리기도 쉽지 않지만 왜곡되는 경우도 많다. 영국 더럼대 심리학과 찰스 퍼니휴 교수는 ‘기억의 과학’이라는 책에서 “진짜 기억과 가짜 기억은 상당히 비슷한 신경적 특징을 나타내며 다양한 편향이 기억에 영향을 미친다”고 지적하기도 했다. 뇌과학이 빠르게 발전하고 있지만 기억은 많은 부분이 여전히 미지의 영역으로 남아 있다. 이 때문에 기억은 시간여행과 함께 SF에서 가장 많이 다뤄지는 단골 메뉴이다.이런 가운데 미국 캘리포니아 샌디에이고대(UC샌디에이고) 심리학과, 애리조나주립대 실험심리학과, 뉴멕시코주립대 심리과학과, 샌디에이고 보훈병원, 배로신경과학연구소, 뉴로텍스뇌연구소 공동연구팀은 특정 정보가 기억되거나 기억되려 하기 이전에 이미 해마에서 기억할지 여부를 결정한다고 3일 밝혔다. 이번 연구 결과는 미국국립과학원에서 발행하는 국제학술지 ‘PNAS’ 6월 2일자에 실렸다. 연구팀은 뇌전증 환자 34명을 대상으로 새로운 단어를 학습하도록 하면서 해마, 편도체, 전측대상회, 전전두엽 등 기억에 관여하는 부위의 변화를 뇌파검사와 기능성자기공명영상(fMRI)으로 측정했다. 그 결과 실험대상자들이 쉽게 기억하거나 오랫동안 기억하게 되는 단어들은 보거나 듣기 1~2초 전에 해마의 신경세포(뉴런)의 발화율이 높다는 것이 확인됐다. 해마 이외의 부분에서는 별다른 변화가 나타나지 않은 것으로 나타났다. 대뇌변연계에 위치한 해마는 장기기억과 학습, 감정적 행동을 조절하는 데 관여하는 것으로 알려져 있다. 연구팀은 이처럼 정보 노출 전에 해마 뉴런의 발화율이 높아지는 것을 ‘인코딩 준비상태’라고 이름 붙였다. 연구팀에 따르면 인코딩 준비상태는 새로운 기억을 형성하는 데 중요한 뇌 부위인 해마가 선택적으로 활동을 증가시키는 것이다. 정보에 따라 인코딩 준비상태가 달라지는 정확한 메커니즘을 밝혀내기 위해 추가 연구를 진행 중이지만 기억력을 높이기 위해서는 해마를 인코딩 준비상태로 만들어 두는 것이 중요하다고 설명했다. 한편 오스트리아 과학기술연구원 세포신경과학부 연구팀은 단기기억이 형성되는 것은 소뇌와 대뇌 피질의 가장 작은 신경단위인 과립세포가 해마의 피라미드 신경세포로 얼마나 활발하게 신호를 전달할 수 있는가 여부에 달려 있다는 연구 결과를 신경과학 분야 국제학술지 ‘뉴런’ 6월 2일자에 발표했다. 지금까지 기억은 신경세포들 사이의 신호전달 강화를 설명하는 시냅스 가소성이나 외부 자극으로 인해 생기는 생화학적 변화인 엔그램 개념으로 설명해 왔었다. 시냅스 가소성은 세포 수준 이하의 차원에서, 엔그램은 기억의 전체 메커니즘 차원에서 설명하는 것이었는데 연구팀은 시냅스 가소성과 엔그램 사이의 구조적 상관관계를 설명한 것이다. 존 윅스테드 UC샌디에이고 교수는 “이번 연구들은 신경세포와 신호전달체계가 기억에 어떻게 영향을 미치는지 보여 주는 것”이라며 “결국 흥미를 갖고 해당 정보에 반복적이고 지속적으로 노출되는 것이 기억을 잘하는 방법”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

정신없이 바쁜 일상, 뇌에서 받아들이기 어려울 정도로 쏟아져 나오는 각종 정보들로 현대인들은 스트레스 상황에 항상 노출돼 있다. 최근에는 코로나19 사태가 장기화되면서 ‘코로나 블루’(코로나 우울증)를 호소하는 목소리도 많아지고 있다. 스트레스가 심해지면 불안, 우울, 강박 증상 등이 나타나는 경우도 많은데 극심한 스트레스, 특히 외상성 스트레스는 뇌의 구조 자체를 바꿔 공격성을 높이고 분노조절장애에 시달리게 만들 수 있다는 연구결과가 나왔다. 미국 국립보건원(NIH) 산하 국립정신건강연구소(NIMH), 국립의과학연구소(NIGMS), 국립당뇨·소화기·신장병연구소(NIDDKD), 군의관의과대, 미네소타대 신경행동발달연구센터 공동연구팀은 외상성 스트레스가 공격성을 높이고 분노조절장애를 가져올 수 있다고 21일 밝혔다. 이 같은 연구결과는 뇌과학분야 국제학술지 ‘저널 오브 뉴로사이언스’ 20일자에 실렸다. 트라우마라고도 부르는 외상성 스트레스는 충격적인 사건이나 자연재해으로 인해 자신이나 타인에 대한 물리적 위협을 경험하거나 목격한 다음 겪게 되는 심리적 외상을 말한다. 많은 사람들이 트라우마는 자신과 상관없는 일로 생각하지만 살다보면 크고 작은 외상성 스트레스를 겪게 된다. 직장이나 학교에서 경험이나 믿고 있던 지인에게서 배신, 가까운 사람의 질병 등 다양한 요인이 트라우마를 남기는 경우가 많다. 외상성 스트레스를 받게 되면 신체적, 심리적 변화가 나타나는데 지금까지는 단순히 충격적인 사건의 후유증 때문으로 인식돼 왔다. 그런데 연구팀은 외상성 스트레스는 감정과 사회적 행동에 관여하는 편도체 자체에 변형을 일으키고 편도체와 뇌의 다른 부위가 연결된 두 개의 통로에 변화를 유발시킨다는 것을 생쥐실험으로 확인했다.연구팀은 수컷 생쥐들을 좁은 공간에 여러 마리를 넣어놓는다든지 음식 주는 시간과 양을 불규칙하게 하는 등 스트레스를 준 뒤 뇌를 관찰했다. 그 결과 스트레스를 받은 생쥐는 그렇지 않은 생쥐에 비해 편도체와 편도체 회로가 달라지고 다른 생쥐들에 대한 공격성이 더 늘어난 것이 확인됐다. 연구팀은 빛을 이용해 뇌 심부를 자극하고 편도체 회로 한 쪽이 활성화되는 것을 억제하고 차단한 결과 공격적인 행동을 줄이는데도 성공했다. 연구팀은 과도한 스트레스로 인해 공격성이 증가하거나 분노조절장애를 겪는 사람에게도 이 같은 뇌심부 자극을 적용해 같은 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다. 연구를 이끈 NIMH 시냅스발달·가소성연구분과의 제이콥 노드먼 박사는 “이번 연구는 개체들이 견뎌낼 수 있는 수준을 넘어서는 과도한 스트레스는 우울감 뿐만 아니라 공격성까지 자극해 개인적으로나 사회적으로 문제가 될 수 있다는 것을 보여주고 있다”라며 “뇌의 깊은 부분을 자극함으로써 스트레스로 인해 자극되는 뇌 경로를 차단한다면 공격성이나 시도 때도 없이 터져나오는 분노를 줄일 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

사람의 뇌는 자는 동안에도 세포 손상을 수복하고 면역 및 감정을 제어하는 활동 등으로 분주하다. 그런데 새로운 연구에 따르면, 우리 뇌는 깨어있을 때 겪은 일들을 재현해내느라 바쁘다. 이는 일반적인 꿈과는 또 다른 것이다. 미국 매사추세츠 종합병원 등이 주도한 연구진은 사람의 뇌가 이런 활동을 일부러 하는 이유로 경험을 정리함으로써 예전 기억을 덧씌우지 않고 새로운 기억을 오랜 기간 보존하기 위한 것으로 추정한다. 이들 연구자는 깨어있을 때의 체험을 잘 때 뇌에서 재현하는 것을 ‘오프라인 리플레이’라고 말한다. 이는 오래전부터 동물들에서 관찰된 현상이지만, 사람에게서 관찰된 사례는 이번이 처음이다. 사실 이 연구의 참가자들은 사지마비 환자 두 명으로 이들은 뇌의 신호를 검출해 컴퓨터나 로봇 팔 등을 조작하도록 하는 실험에도 참여하고 있다. 따라서 이들 참가자의 대뇌피질 일부에는 전극이 이식돼 있다. 이번 연구가 가능했던 이유도 바로 이 때문이다. 이런 전극을 이용하면 이들 참가자가 깨어있는 동안과 잠든 사이에 발화(firing)한 신경세포를 검출할 수 있다. 이런 기회는 흔치 않으니만큼 전례없는 연구인 것이다. 연구진은 이 연구에서 자고 있는 동안의 오프라인 리플레이를 관찰하기 위해 이들 참가자에게 잠자기 전후 ‘사이먼’이라는 이름의 기억 놀이를 하도록 요청했다.사이먼 놀이의 규칙은 간단하다. 4가지 색의 패널이 있고 그것들이 순서대로 빛나므로 빛난 순서를 기억해 그대로 패널을 눌러 나간다. 단지 이번 참가자들은 사지마비 탓에 팔이 움직이지 않기에 뇌파로 커서를 조작해 놀이를 수행했다. 그 결과, 자고 있는 참가자들의 신경세포에서도 이 놀이를 하고 있을 때와 같은 패턴으로 발화하는 것으로 확인됐다. 이는 이들이 잠든 사이에도 머릿속으로 놀이를 하고 있었다는 점을 시사한다. 일어나 있을 때의 놀이 활동으로 생긴 발화 패턴이 신경세포 수준으로 재현되고 있던 것이다. 연구진의 견해에 따르면, 이런 오프라인 리플레이는 하루 동안의 경험을 이해하고 이를 새로운 기억으로 저장하는 데 도움을 주려는 것이다. 그리고 이 과정에는 해마와 신피질이라는 뇌 영역이 관계돼 있을 가능성이 높다. 해마는 대뇌피질 아래에 있는 작은 해마처럼 생긴 영역으로 기억과 밀접한 관계가 있다. 신피질은 뇌 표면의 주름 부분으로 감각 정보의 처리와 자발적 동작 제어 그리고 의사결정을 담당한다. 특히 해마는 가소성이 매우 높은 부위다. 이는 뉴런 사이 연결인 시냅스의 세기가 빨리 변한다는 것. 하지만 신피질의 가소성은 해마만큼은 아니다. 이는 새로운 기억을 빠르게 만드는 것이 서툴다는 것을 의미한다. 그 대신 한 번의 기억을 저장하면 그렇게 쉽게 잃지 않는다. 해마처럼 옛 기억이 새로운 기억으로 바뀌는 일도 없다. 따라서 해마는 체험이라는 스냅 사진을 찍는다고도 말할 수 있다. 무슨 일이 생기면 얼른 신경세포의 결합을 강화해 이를 기록한다. 기억은 이후 같은 신경세포가 다시 활성화됐을 때 느껴지는 체험이다. 오프라인 리플레이에서는 이런 기억이 서서히 신피질로 저장된다. 하지만 핵심은 신피질에는 이미 그동안 축적된 기억과 지식이 저장돼 있고 새로운 기억은 그 속으로 편입된다는 것이다. 이 경우 기존 정보가 새로운 정보로 덮어쓰기 돼 사라지는 일은 없다. 따라서 평소 양질의 수면이 중요하다는 것은 바로 이 점에 있다. 시험이나 중요한 면접이 있는 날의 전날 밤에는 제대로 잠을 자면 인지 능력을 끌어올리기가 쉽다. 즉 공부하고 난 뒤에 잠을 자면 배운 점을 기억하는 데 도움이 될 수 있다는 것이다. 자세한 연구 성과는 국제 학술지 셀 리포츠(Cell Reports) 최신호(5월 5일자)에 실렸다. 사진=Cell Reports 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

인간 뇌를 모방하는 핵심 전자칩의 개발이 생체 전자공학의 급격한 발전 덕분에 순조롭게 진행되고 있다. 이른바 ‘뉴로모픽 컴퓨팅 칩’으로 불리는 이 핵심 연산장치는 인간 뇌의 뉴런(신경세포)들과 이들을 연결하는 부위인 시냅스(연접부)들의 구조를 모방해 기계학습을 수행하면 기존 컴퓨터에서는 할 수 없던 복잡한 의사결정을 인간 수준으로 해낼 수 있다. 하지만 지금까지 기술로는 이 칩을 가동하는데 최소 1V 안팎의 전압이 필요했다. 이는 인간 뇌가 필요로 하는 전압인 80㎷와 비교하면 압도적으로 높은 전압이다. 하지만 뉴로모픽 컴퓨팅 칩의 최종 목표는 인간의 뇌를 완전히 대체할 수 있을만큼 발전하는 것이므로, 이렇게 높은 전압은 바람직하지 못하다. 그런데 미국 매사추세츠대 애머스트캠퍼스 연구진은 자신들이 개발하고 있는 뉴로모픽 컴퓨팅 칩을 가동하는 데 필요한 전압을 실제 뇌 수준인 40~100㎷까지 낮추는 데 성공했다고 밝혔다. 이런 성과 덕분에 이 전자칩은 실제 뇌를 재현하기 위한 마지막 관문을 돌파했다고 할 수도 있다. 또 적정 전압의 획득으로 손상됐거나 오래된 뇌세포를 대체하는 이른바 ‘뇌 바꾸기’도 실현 가능할 것이다. 그렇다면 도대체 무엇이 이번 저전압화를 가능하게 했던 것일까. 그 열쇠를 쥐고 있던 것은 뜻밖에도 세균에 있었다. 의사 시냅스의 구조 뉴로모픽 컴퓨팅 칩의 개발에 있어 가장 어려운 문제는 시냅스를 재현하는 것이다. 시냅스의 역할은 보통 전자회로의 스위치에 있는 온·오프 기능과 비슷하지만 다른 한편으로 흐르는 전류가 많거나 적음에 따라 스위치로 기능하는 유연성을 갖는다. 기존 전화회로로는 이런 성질을 재현하기가 어려웠지만, 최근 10여년간의 급격한 기술 발전 덕분에 뉴로모픽 컴퓨팅 칩은 실제 시냅스와 같이 유연한 전류 조절을 재현하는 의사 시냅스를 탑재하는 데 성공한 것이다. 저전압화 실현에 핵심이 된 부분은 금속 환원 미생물(혐기성 세균)인 지오박터 설퍼레두신스가 만들어내는 단백질로 된 나노와이어다. 이는 단면의 지름이 1나노미터 정도의 극미세선을 말한다. 생물 호흡의 본질은 체내에서 생긴 잉여 전자를 버리는 데 있다. 산소를 이용하는 호기성 호흡의 경우 체내 전자를 산소에 부여해 이산화탄소로 대체 방출한다. 반면 금속을 이용하는 혐기성 호흡은 체내에서 생긴 잉여 전자를 금속에 버리는 방식으로 호흡한다는 것이다. 연구진이 주목한 단백질 나노와이어는 혐기성 세균이 전자를 버리기 위해 금속(자연계에서는 광석)과 자신의 신체 일부를 연결하는 데 쓰인다. 이들 연구자는 의사 시냅스 사이를 이 혐기성 세균에서 채취한 나노와이어들로 채웠다. 그리고 의사 시냅스 전후 회선에 전압이 가해지면 나노와이어에 전자가 흐르고 주위에 부유시킨 은 이온을 은으로 바꿔 의사 시냅스 사이에서 은 덩어리가 생기게 했다. 분자 상태의 은이 모이면서 의사 시냅스는 접속돼 간다. 전기를 통하게 함으로써 수중의 은 이온(Ag+)이 단백질 나노와이어로부터 전자를 받아 은 덩어리를 형성하고 그 덩어리가 성장하면서 회로가 연결된다. 그리고 전기가 끊기면 집적된 은 덩어리는 다시 은 이온이 돼 수중에 녹아 연결이 끊어지는 것이다. 즉 혐기성 세균이 가지는 자연계 최소의 전선은 은과 은 이온으로부터 전자를 주고 받는 역할을 통해 생체 촉매와 같은 기능을 했다는 것이다. 생물이 지니는 촉매 작용은 매우 효율적이고 의사 시냅스의 작동에 필요한 전압을 극적으로 줄이는 과정으로 이어졌다. 따라서 이 연구를 통해 만들어진 신경 연결은 기존 기술의 비세포적 성질과 단백질 나노와이어로 이어진 세포적 성질 양측 모두를 지닌 이른바 하이브리드 뇌라고 할 수도 있다. 비세포성 뇌 만들어내나 이 연구로 생체 전압 수준의 제어가 실현돼 손상된 신경을 비세포성 전자회로로 대체할 수 있게 됐다. 배양한 세포와 달리 비세포성 회로는 거부 반응이 일어나기 어렵기 때문이다. 또 적정 전압은 대체할 신경을 중추신경으로 확대할 수도 있다. 뇌는 매우 생물학적인 조직이지만 신경 연결의 구조를 모방할 수 있으면 세포를 사용하지 않아도 모방할 수 있다. 손상됐거나 오래된 뇌세포를 이런 전자칩으로 대체할 수도 있다. 또 최신 연구에서는 쥐의 손상된 뇌를 인간의 피부세포에서 배양한 뇌세포를 사용해 대체하는 실험에도 성공했다. 이런 잠정적인 대체 기술을 통해 뇌를 모든 전자회로로 대체하는 미래도 가능해질 것이다. 어쩌면 그 때가 오기 전에 세포가 만들어내는 감정과 전자회에서 발생하는 감정의 차이가 무엇인지를 생각하기 시작해야 할지도 모른다. 자세한 연구 결과는 세계적 학술지 네이처의 자매지인 네이처 커뮤니케이션스 최신호(20일자)에 실렸다. 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

계명대 약학대학 제약학과 이상길 교수팀의 연구성과가 약학분야 우수 국제학술지인 “Pharmaceutics”에 게재됐다. 이상길 교수는 본 연구에서 치매 치료에 사용되고 있는 약물인 도네페질(donepezil)을 하이드로겔 형태의 경피흡수제형으로 개발했다. 현재까지 전 세계적으로 도네페질이 경피제형으로 개발된 사례는 없다. 국내외 주요 제약기업들이 앞 다투어 임상시험을 수행하는 등 연구개발에 박차를 가하고 있는 연구주제이다. 인지력의 손상을 일으키는 콜린효능성 결핍(cholinergic deficit)은 알츠하이머 질환의 신경퇴화의 중요한 병태생리학적인 특징 중의 하나이다. 도네페질의 작용기전은 항콜린에스터라아제인 콜린에스터라아제와 가역적으로 결합하여 아세틸콜린의 가수분해를 저해하는 것으로 알려져 있다. 결과적으로 콜린성 시냅스의 아세틸콜린 농도를 상승시켜 콜린성 전달을 증가시키게 된다. 또한, 도네페질은 중추적으로 작용하는 가역적인 아세틸콜린 에스터라아제 저해제이다. 본 연구에서는 폴리비닐알콜과 폴리비닐피롤리돈 고분자를 기반으로 한 하이드로겔 패취를 제조하여 쥐 피부를 이용한 경피투과 시험을 수행했다. 이어 무모쥐를 이용한 경피전달 약동학 실험을 수행하여 도네페질의 약물 농도가 혈중에 지속적으로 유지됨을 확인해 냈다. 도네페질의 반감기는 사람이 쥐에 비하여 긴 것으로 알려져 있으며, (사람에서의 소실 반감기는 약 70 시간) 이번 동물실험 결과는 사람에게서는 더욱 연장된 약효지속이 기대되는 결과이어서 향후 치매치료 분야에 새로운 제형을 제시함으로써 치매로 고통 받는 노령환자들의 삶의 질을 높이는 치매 치료제로 개발될 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구성과가 게재된 “Pharmaceutics”지는 스위스 MDPI 출판사에서 출간되는 저널로써, 피인용지수(Impact Fact)가 4.773이고 당 연구분야 상위 10% 이내(9.551%)에 해당하는 약학분야의 저명국제학술지이다. 본 논문의 제1저자인 바샬 산토쉬(Bashyal, Santosh 네팔) 학생(대학원 약학과 박사수료)은 이상길 교수의 지도 아래 도네페질 경피제형의 설계 및 특성평가 연구들을 주도했으며, 동아제약 연구소에서 본 제제의 약동학적 특성평가를 수행하였다. 본 연구성과는 교육부의 ‘한국연구재단 대학중점연구소지원사업 (약물의존장애 핵심 진단기술 개발 및 치료전략 연구)’의 지원과 및 동아제약과의 공동연구 수행을 통하여 도출된 연구성과이다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

날씨가 따뜻해지는 봄이 되면 춘곤증 때문에 꾸벅꾸벅 조는 사람들이 늘어난다. 추운 겨울이 끝나고 날씨가 포근해지면서 나타나는 현상이라고 알려져 있지만 어떤 메커니즘으로 잠이 쏟아지는지는 밝혀내지 못했다. 울산과학기술원(UNIST) 생명과학부 연구팀은 기온의 변화에 따라 신경전달물질의 신호 체계가 바뀌면서 수면 패턴도 달라진다는 사실을 확인했다고 21일 밝혔다. 이번 연구결과는 생물학 분야 국제학술지 ‘커뮤니케이션즈 바이올로지’에 실렸다. 전 생애에 있어서 3분의 1 시간을 보낸다는 잠은 환경의 영향을 많이 받는다. 밝기와 습도, 소음 같은 외부 환경 뿐만 아니라 영양 상태 같은 신체적 조건에 따라서도 수면 시간과 질은 달라지게 된다. 기온 역시 수면에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나로 꼽힌다. 봄이나 가을처럼 이전 계절과 달리 기온이 크게 변동하는 환절기에는 졸음이 쏟아지거나 무더운 여름철이 되면 낮 동안 나른하고 밤에는 잠을 못 이루는 열대야 수면 패턴도 기온 때문에 수면이 영향을 받는 현상이다. 연구팀은 사람처럼 기온에 따라 수면패턴에 영향을 받는 초파리를 대상으로 실험을 실시했다. 연구팀은 칼륨 이온 통로 단백질 중 하나인 셰이커 유전자에 돌연변이를 일으킨 형질전환 초파리를 활용해 무더운 여름과 비슷한 환경을 만든 뒤 수면 패턴을 관찰했다. 셰이커 유전자가 만드는 단백질은 뇌 속 칼륨이온이 지나는 통로를 만드는데 이 단백질이 결핍되면 신경세포를 과도하게 활성화시켜 수면을 억제하게 된다. 이 때문에 셰이커 유전자에 돌연변이가 생기면 다른 초파리에 비해 잠을 덜 자게 된다. 실험 결과 기온이 높아지면 억제성 신경전달물질 ‘가바’(GABA)를 만들어내는 신경세포와 수면을 촉진하는 신경세포(dFSB)들을 연결해주는 시냅스가 사라져 수면패턴이 달라진다는 것을 확인했다. 가바를 전달해 수면을 억제하기 어려워지므로 더 잘 자게 된다는 설명이다. 또 연구팀은 살아있는 초파리 뇌의 칼슘이온 이미징 기법을 이용해 관찰한 결과 수면촉진 신경세포를 조절하는 신호가 기온 변화에 따라 달라진다는 것도 확인했다. 21도보다 낮은 기온에서는 가바가, 29도 이상의 높은 온도에서는 도파민이 수면촉진 신경세포의 활동을 제어한다는 것이 관찰됐다. 임정훈 UNIST 교수는 “이번 연구는 기온이라는 환경요인이 수면이라는 행동을 어떻게 이끌어내는지 신경유전학적으로 설명했다는데 의미가 크다”라며 “춘곤증이나 여름철 열대야 현상 등으로 인한 수면패턴의 변화를 이해하고 발생할 수 있는 수면장애를 해소할 실마리가 될 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

미국 과학자들이 피부세포로 시각세포를 만들어 앞을 보지 못하는 생쥐들에게 이식해 사물을 인지할 수 있게 하는데 성공했다. 미국 노스텍사스대 의대 시각연구소, 국립보건원(NIH) 산하 국립안(眼)연구소, 노스캐롤라이나 채플힐대 의대 안과, 바이오기업인 나노스코프 테크놀로지, 아이CRO, CIRC테라퓨틱스 공동연구팀은 피부줄기세포로 알려진 섬유아세포를 화학적으로 재구성해 시력과 관련된 광(光)수용체 세포를 만들 수 있다는 것을 밝혀내고 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 16일자에 발표했다. 노인성 황반변성, 당뇨망막병증 같은 다양한 망막질환은 빛을 감지하는 광수용체 세포가 사라지면서 회복시킬 수 없기 때문에 심할 경우는 시력을 잃을 수 있다. 이 때문에 광수용체를 재생시키는 방법을 찾는 것은 과학계의 중요한 과제 중 하나였다. 그동안 광수용체 재생을 위해 사용한 방법은 피부나 혈액세포를 이용해 줄기세포를 만든 다음 줄기세포를 광수용체로 분화되도록 유도해 이식하는 것이었다. 그런데 연구팀은 줄기세포를 만들어 분화를 유도하는 과정을 건너 뛰고 섬유아세포를 직접 광수용체 중 막대세포로 재프로그래밍한 것이다. 생물학에서 재프로그래밍 또는 리프로그래밍(reprogramming)은 특정 세포를 완전히 새로운 종류의 세포로 바꾸는 것으로 체세포 핵을 치환하거나 유도만능줄기세포(iPS), 세포융합 방법으로 만든다. 유도만능줄기세포는 성인의 세포를 이용해 모든 종류의 세포나 조직으로 분화시킬 수 있지만 이식 준비가 되기까지는 6개월이나 걸린다. 그렇지만 이번에 개발한 재프로그래밍 기술을 활용하면 피부세포를 10일 만에 이식 가능한 광수용체로 만들 수 있다. 광수용체는 막대세포와 원뿔세포 두 종류로 나뉘는데 더 많은 것이 막대세포이다. 막대세포는 빛에 민감해 어두운 곳에서 빛을 인식하는 구실을 하고 망막 주변부에 더 많이 분포한다. 막대세포가 손상되면 빛이 적은 어두운 곳에서는 아예 앞이 보이지 않는 야맹증이 나타나게 된다. 연구팀은 생쥐의 섬유아세포를 유도 광수용체 막대세포(CiPCs)로 전환시킬 수 있는 5종류의 화합물을 만들었다. 연구팀은 이들 화합물을 이용해 만든 CiPCs를 분석한 결과 실제 광수용체 막대세포와 유사하다는 것을 확인했다.연구팀은 망막변성이 일어나 시력을 거의 잃은 14마리의 생쥐의 눈에 CiPCs를 이식한 뒤 빛에 대한 동공반사와 시력을 조사했다. 그 결과 3~4주 뒤 6마리의 생쥐에게서 빛이 약한 환경에서도 동공반응이 개선됐음을 확인했다. 또 시각기능 회복 여부를 알아보기 위해 회피시험을 실시했다. 그 결과 장애물도 쉽게 피하는 것을 확인했다. 또 이식 3개월 뒤에는 광수용체들이 망막 안쪽 뉴런과 시냅스 연결이 된 것도 관찰됐다. 화학적 리프로그래밍으로 만들어 낸 세포가 실제 시각 회복에 도움이 됐다는 것을 보여준 것이다. 사이 샤발라 노스캐롤라이나대 의대 교수는 “이번 연구는 직접적이고 화학적인 재프로그래밍을 통해 망막과 같은 세포를 만들어 낼 수 있음을 보여주는 첫 번째 성과”라며 “이번 기술을 활용하면 중간 단계를 거치지 않기 때문에 세포치료제를 개발하는데 걸리는 시간을 상당히 단축시킬 수 있을 것으로 본다”고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

치매를 일으키는 가장 흔한 신경퇴행성 뇌질환 알츠하이머병 환자의 뇌에 특정 빛을 직접 비추면 기억력이 개선되는 효과가 있다는 주장이 나왔다. 영국 일간 텔레그래프 등 외신에 따르면, 캐나다 토론토대 연구진은 현지 생명공학회사 비라이트의 LED 헤드셋이 실제로 많은 알츠하이머병 환자의 증상을 호전하는데 도움이 되는지 기능을 확인하는 임상시험에 들어갔다.‘뉴로 RX 감마’(Neuro RX Gamma)라는 이름의 이 헤드셋은 별도의 코 클립과 한 세트로, 이를 머리와 콧구멍에 착용하고 작동하면 감마선 펄스가 뇌의 기억 중추 해마를 자극한다. 이런 장치의 안전성을 검증하는 초기 임상시험에서는 경증 내지 중증 알츠하이머 환자 5명을 대상으로, 3개월간 진행됐는데 이 질환의 모든 증상이 호전한 것으로 확인됐었다. 특히 기억력에 관해서는 지금까지 나온 약물이 증상을 완화하는 데 그친 것과 달리 호전되게 했다. 이밖에도 수면 상태가 좋아지고 화를 내거나 불안에 떨고 배회하는 행동이 줄어들었다. 또 뇌를 조영한 결과에서도 뇌 신경세포인 뉴런의 연결부위인 시냅스와 뇌 혈류가 개선한 것으로 나타났다. 하지만 이후 시험을 중단하자 이들 환자는 다시 증상이 나빠지기 시작한 것으로 확인됐다.반면 본격적인 임상시험은 캐나다와 미국의 의료기관 8곳에 등록된 알츠하이머병 환자 228명을 대상으로 진행되고 있다. 이들 환자는 두 집단으로 분류돼 절반은 매주 6일 하루 20분씩 총 12주간 LED 헤드셋을 사용한 치료를 받는다. 나머지 절반에게는 가짜 LED 헤드셋을 착용하게 해서 치료 효과를 비교할 예정이다. 이번 임상시험은 수많은 알츠하이머병 환자와 그 가족에게 희망을 준다. 왜냐하면 현재의 치료는 고작해야 증상을 늦추는 데 그치기 때문이다. LED를 사용한 치료는 이미 계절적인 흐름을 타는 우울증으로 주로 겨울철에 나타나는 계절정서장애(SAD)를 치료하는 데에서 효과가 있는 것으로 알려졌다. 이는 행복 호르몬인 세로토닌의 분비를 촉진해 잠을 더 잘 자게 하고 손상돼 정지된 뇌 영역을 자극하는 것으로 여겨진다. 사진=비라이트 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

생체공학 등 기술의 발전으로 인간의 뇌와 기계를 직접 연결해 전쟁터에서 셀 수 없이 많은 드론(무인항공기)을 한꺼번에 제어하는 군인이 존재하는 무서운 미래를 상상해 보자. 그런데 미군은 공상과학(SF) 영화에서나 나올 법한 이런 미래가 30년 안에 현실이 될 것으로 예상하고 있다고 비즈니스 인사이더가 3일(현지시간) 전했다. 보도에 따르면, 미군은 인간과 기계가 직접 상호작용하거나 데이터를 전송할 수 있는 ‘뇌 임플란트’(뇌신경 이식·뇌에 전극을 이식하는 기술) 등 다양한 기술의 도움으로 이번 세기 중반 안에 ‘사이보그 솔저’가 출현하리라 생각한다. 최근 미 육군연구원(ARL) 산하 전투력개발센터(CCDC)가 발표한 이 군사 보고서에 따르면, 미군은 2050년까지 전투병에게 우위를 주도록 기술적으로 인간을 재설계하는 것이 가능하리라 믿는다. 이런 보고서를 주도해서 쓴 CCDC 화학생물센터(CBC) 연구원인 피터 이매뉴얼 박사는 “생물학과 공학 그리고 인공지능(AI)의 융합으로 우리 군은 인간의 보고 듣고 소통하고 움직이는 방식을 더 뛰어나게 개선할 수 있을 것”이라고 설명했다. 그는 또 “의학적이고 사회적인 발전에 의해 인공 기관(보철)과 심박 조율기 등 임플란트 분야에서 현재 이상으로 발전할 것으로 예상된다”고 말했다. ‘사이보그 솔저 2050’(Cyborg Soldier 2050:Human/Machine Fusion and the Implications for the Future of the DOD)이라는 제목으로 발표된 이 보고서는 우선 인간의 시각이 정상적인 가시 스펙트럼을 넘어 향상할 가능성에 대해 논한다. 이밖에도 청력과 의사소통을 높이기 위해 군인의 귀에 물리적인 변화를 주고 음파탐지를 통해 표적을 추적하고, 더 강한 전투병이 되도록 군인의 근육과 힘을 제어하는 기술 등에 대해서도 설명한다. 하지만 가장 흥미로워 SF 영화 속 이야기로 여겨지는 생각은 군인들이 다수의 드론과 각종 무기 체계, 기타 원격으로 조작할 수 있는 기계를 마음대로 제어하는 뇌 임플란트의 가능성이다. 보고서에 따르면, 뇌와 컴퓨터를 접속(BCI·brain-computer interfacing)하는 뇌 임플란트는 인간과 기계의 원활한(심리스) 상호작용을 가능하게 할 것이다. 이는 드론과 무기 체계를 비롯해 각종 원격 제어 체계에서 사용할 수 있다. 다만 이런 단계에 도달하려면 넘어야 할 기술적 제약이 여전히 높은 것으로 전해졌다. 이매뉴얼 박사는 “우리가 할 수 있는 일은 데이터 교환 수준을 세포 수준으로 낮추는 것이다. 일단 세포 수준까지 낮추면 특정 신경세포 간에 신호를 주고 받는 시냅스의 데이터 발생을 실제로 제어할 수 있다”면서 “그러면 양방향으로 높은 대역폭의 데이터 전송이 가능할 것”이라고 말했다. 이어 현재 진행 중이긴 하지만, 이런 뇌 임플란트 기술이 나오는 데는 적어도 10년은 더 걸릴 것이라고 덧붙였다. 이번 조사를 수행한 국방부 산하 기관(Biotechnologies for Health and Human Performance Council)은 오는 2030년까지 특수부대의 군인들과 조종사들, 드론 통제관들 그리고 정보요원들이 뇌 임플란트를 받을 수도 있다고 보고했다. 이들은 “인간 신경망과 마이크로 전자공학 시스템 간의 직접적인 데이터 교환의 잠재성은 군인들의 전술적인 의사소통에 혁신을 가져오고, 지휘 체계에 걸쳐 지식의 전달을 가속화해 최종적으로는 전쟁의 징조(전운)를 없앨 수 있을 것”이라고 지적했다. 끝으로 이매뉴얼 박사는 “결국 이 기술은 전쟁이 아닌 다른 분야에서 쓰이게 될 것이다. 우리가 세상을 이해하는 방법이나 인간이 되는 것이 무엇을 의미하는지조차 바꾸게 될 것”이라고 말했다. 사진=CCDC 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

간밤에 꾼 꿈이 희뿌연 안개가 낀 것처럼 가물가물한 과학적 원인이 밝혀졌다. 미국 스탠포드 국제연구소와 일본 나고야대학, 훗카이도대학의 공동 연구진이 따르면 기본적으로 수면이 뇌가 새로운 기억을 저장하는데 도움을 주긴 하나, 일부 단계에서는 뇌가 선택적으로 뉴런과 뉴런 사이의 시냅스 연결을 방해해 낮동안 있었던 일이나 간밤에 꾼 꿈 등을 기억하지 못하게 한다. ‘시냅스 재정규화’로 불리는 이 과정은 잠을 자면서 불필요한 경험을 기억에서 삭제함으로써 뇌의 과부화를 막아주는 역할을 하는데, 지금까지 전문가들은 뇌의 이러한 활동의 원인을 정확히 밝혀내지 못했었다. 공동 연구진은 실험용 생쥐 및 광유전학 기술을 통해 두뇌 외측 시상하부에서만 생성되는 ‘멜라닌 응집 호르몬’(MCH) 뉴런의 역할을 집중 분석했다. 그 결과 멜라닌 응집 호르몬의 뉴런을 억제시키자 기억력이 향상되는 반면, 멜라닌 응집 호르몬의 뉴런을 활성화시키자 기억력이 저하되는 것을 확인했다. 또 수면 중 뇌의 전기신호를 추적한 결과, 멜라닌 응집 호르몬 뉴런이 활성화되면 섬유질의 축색돌기를 통해 기억을 담당하는 해마로 억제 신호를 보내는 것을 확인했다. 즉 꿈을 꾸는 렘 수면 과정에서 멜라닌 응집 호르몬의 뉴런이 활성화되면, 깨어 있을 때 경험했던 많은 일뿐만 아니라 이것들이 나타난 꿈 마저도 선택적으로 지워질 수 있다는 것. 연구진은 “이번 연구는 렘 수면 단계의 특정 뉴런의 신호가 기억을 지우거나 강화하는데 중요한 역할을 한다는 사실을 입증했다”면서 “새롭지 않거나 중요하지 않은 정보를 적극적으로 잊어 버리는데 역할을 미친다는 사실을 알게됐다”고 설명했다. 이어 “꿈은 주로 렘 수면단계에서 멜라닌 응집 호르몬 뉴런이 활성화되는 동안 나타나며, 이 과정은 꿈의 내용이 해마에 저장되는 것을 막을 수 있다. 결과적으로 꿈이 빨리 잊혀지게 되는 것”이라고 덧붙였다. 자세한 연구결과는 세계적인 과학저널인 ‘사이언스’ 20일자 최신호에 실렸다. 사진=123rf.com 송현서 기자 huimin0217@seoul.co.kr

크리스토퍼 놀런이 감독하고 리어나도 디캐프리오, 조지프 고든 레빗 등이 출연한 영화 ‘인셉션’(2010)은 꿈을 공유해 타인의 생각을 빼내거나 꿈 자체를 설계해 기억을 지우기도 하고 심을 수도 있다는 기발한 상상력을 담고 있다. 실제로 우리가 깨어 있을 때 경험한 많은 일들은 뇌에 차곡차곡 쌓여 있다가 잠이 든 뒤 버려야 할 것과 간직해야 할 것으로 구분되어지며 일부는 꿈으로 나타나기도 한다. 뇌과학이 눈부시게 발전하고 있지만 여전히 잠과 꿈, 기억의 상관관계는 명확히 밝혀지지 않고 있다. 이런 가운데 일본 나고야대 환경의학연구소, 홋카이도대 의대 신경약리학과, 의생명과학과, 도카이대 생명과학부, 미국 SRI인터내셔널 신경과학센터 공동연구팀은 잠자는 동안 뇌가 정보를 선택해 각인시키거나 지워버리는 기억 조절 신경 메커니즘을 밝혀내고 세계적인 과학저널 ‘사이언스’ 20일자에 발표했다. 연구팀은 잠자는 동안 눈이 빠르게 움직이며 꿈을 꾸는 렘(REM) 수면 단계에 주목했다. 렘 수면 단계에서는 몸은 잠들어 있지만 뇌는 빠르게 활동하면서 하루의 경험을 기억할 것인지 아닌지를 선별해 처리하는 것으로 알려져 있다. ‘시냅스 재정규화’라고 불리는 이 과정은 잠자는 동안만 나타나는 현상으로 불필요한 경험을 기억에서 지워버림으로써 뇌의 과부하를 막아준다. 연구팀은 광유전학 기술을 활용해 뇌의 시상하부에서만 발견되는 ‘멜라닌 응집호르몬’(MCH) 뉴런이 렘 수면 활성화와 함께 시냅스 재정규화 과정에서도 핵심적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 생쥐를 이용한 실험을 통해 MCH 뉴런을 억제시키면 기억력이 증가하는 반면 MCH 뉴런을 활성화시키면 기억력이 눈에 띄게 떨어지는 것을 확인했다. 아키히로 야마나카 나고야대 교수는 “이번 연구는 렘 수면 활성 신경통로가 기억을 지우고 강화시키는 데 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다는 데 의미를 갖는다”며 “MCH 뉴런의 활성 정도와 경로를 변경시키면 기억을 선택적으로 조작할 수도 있을 것”이라고 말했다. edmondy@seoul.co.kr

전 세계적으로 한국 학부모들만큼 아이들 학업성적에 관심을 갖는 부모들은 없다. 자세히 뜯어보면 모든 것을 긍정적으로 바라볼 수만은 없지만 버락 오바마 전 미국 대통령도 한국 학부모들의 교육열에 대해 여러 번 언급할 정도이다. 많은 학부모들은 아이들이 엉덩이에 자석이라도 붙여놓은 듯 진득하니 책상 앞에 앉아있어야 공부를 하는 것으로 인식하는 경우가 많다. 그렇지만 성적을 올리고 학습효율을 높이기 위해서는 하루 10분 이상, 4000보 이상 산책 같은 가벼운 운동을 하는 것이 좋다는 연구결과가 나왔다. 미국 오레곤보건과학대 의대 신경과학과 연구진은 짧은 시간이나마 규칙적으로 운동하는 것이 건강 뿐만 아니라 학습능률을 높이고 기억력을 향상시키는 등 두뇌활동에도 도움이 된다고 8일 밝혔다. 이번 연구결과는 생명과학 분야 국제학술지 ‘e라이프’ 최신호에 실렸다. 지금까지 많은 연구들이 규칙적인 운동이 심장이나 근육을 포함해 여러 장기의 건강을 유지하는데 도움이 된다는 사실에 초점을 맞춰왔다. 연구팀은 운동으로 건강한 심장이 유지되면 뇌를 포함한 전신에 산소를 빠르게 공급한다는 점에 착안해 운동이 뇌에 미치는 영향에 주목했다. 연구팀은 학습 중간에 운동시간을 포함시킨 생쥐와 운동시간 없이 학습시간만 길게 가진 생쥐들 사이에서 학습능률이나 기억력을 비교하는 한편 뇌에서 나타나는 변화를 관찰했다. 그 결과 학습만 계속해서 한 생쥐보다 운동시간을 가진 생쥐들의 학습능률이 높아지는 것이 관찰됐다. 특히 운동이 Mts1L이라는 유전자가 활성화되면서 학습과 기억, 새로운 것에 대한 인식에 관여하는 뇌의 해마 부위 뉴런의 연결을 늘리고 시냅스 증가를 촉진시킨다는 것이 관찰됐다. 연구팀에 따르면 오랜 시간 운동하는 것보다 10~30분 이내의 가벼운 산책이나 10분 이내 농구시합을 하는 것처럼 짧은 시간 폭발적으로 움직임을 갖는 운동이 두뇌에는 효과적이라는 것이다. 게리 웨스트브룩 교수(신경학)는 “운동을 한다고 해서 많은 사람들은 비싼 돈을 주고 체육관을 가거나 10㎞ 이상 달리기를 하는 것을 생각하는데 뇌를 위해서는 그보다 훨씬 가벼운 운동도 효과가 크다”라며 “중요한 것은 하루 10분 이상 규칙적으로 몸을 움직인다는 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

미국의 과학자들이 새로운 연구를 통해 젊은 쥐의 혈액 속에서 뇌의 노화 과정을 되돌리는 두 가지 성분을 확인했다고 밝혔다. 뉴사이언티스트 등 외신에 따르면, 미국 스탠퍼드대 분자·세포생리학 연구진이 연구에서 생후 12~15개월 된 나이 든 쥐에게 생후 2주 된 젊은 쥐의 혈액을 주입하면 뇌의 기억력과 학습능력 등이 감퇴하는 노화 증상을 되돌릴 수 있다는 것을 발견했다. 이는 젊은 쥐의 혈액 속에 있는 두 단백질이 나이 든 쥐의 뇌 신경세포인 ‘뉴런’의 성장을 촉진하고 이들 뉴런 사이의 신경 연결인 ‘시냅스’ 수를 늘린 것이라고 연구진은 설명했다. 또 연구진은 두 단백질을 실험실에서 배양한 사람의 뉴런에도 작용하는지 검사했으며 배양된 뉴런의 성장을 촉진하고 시냅스 수를 늘리는 데 도움을 주는 등 비슷한 효과를 확인했다. 이런 결과는 앞으로 회춘 묘약뿐만 아니라 노화로 인해 발생하는 치매의 영향을 되돌리는 치료 방법을 개발하는 데도 도움이 되리라는 희망을 불러일으킨다. 연구진에 따르면, 회춘 효과가 있는 두 가지 핵심 단백질은 ‘트롬보스폰딘-4’(THBS4)와 ‘SPARC 유사 단백질 1’(SPARCL1)으로 확인됐다.미국 국립과학원회보(PNAS) 3일자에 실린 이번 연구논문에서 연구진은 두 화합물이 시냅스 수를 늘린다고 썼다. 건강한 뇌에서는 새로운 시냅스의 생성과 오래된 시냅스의 손실이 균형을 이루지만, 이런 과정은 나이가 들수록 느려져 알츠하이머병과 같은 치매를 일으키는 것으로 알려졌다. 시냅스의 손실이 무언가를 기억하기 어렵게 만들기 때문이다. 연구논문 주저자인 캐스린 간 박사후연구원과 공동저자인 토마스 쥐트호프 박사는 “우리는 젊은 쥐의 피가 시냅스 형성을 촉진하기 위해 뉴런에 직접 작용하는 요인을 강화하는지에 의문을 가졌다. 우리는 젊지만 늙지 않은 쥐의 혈청이 배양된 뉴런 사이에 시냅스 형성을 실제로 직접 촉진하는 것을 보여줬으며 어린 쥐의 혈액에서 ‘트롬보스폰딘-4’와 ‘SPARC 유사 단백질 1’이라는 두 요인의 강화와 그 효과를 확인했다”고 작성했다. 이어 “따라서 우리의 실험은 젊은 피가 뉴런 사이의 시냅스 연결을 직접적으로 촉진하는 여러 요인에서 풍부하다는 것을 보여준다”고 덧붙였다. 이렇듯 연구진은 연구를 통해 두 가지 핵심 물질을 확인할 수 있었지만, 이들 물질이 어떻게 회춘 효과를 일으키는지는 아직 정확히 알 수 없다면서 두 물질이 살아있는 사람들에게 효과가 있다는 것을 보여주기 전에 많은 추가 연구가 필요하다고 지적했다. 예를 들어 그중 하나는 두 단백질이 사람의 혈액뇌관문(BBB)을 통과해 뇌에 직접 도달할 수 있는지는 아직 확인되지 않았다는 것이다. 혈액과 뇌 조직 사이에 존재하는 혈액뇌관문은 혈액 속 큰 분자를 걸러내는 역할을 하는 것으로 알려졌다. 하지만 노화를 막거나 되돌리는 화합물에 관한 연구는 이뿐만이 아니다. 잠재적으로 가능성 있는 또 다른 물질로는 사람의 제대혈 세포가 있다. 이 세포에서 발견된 ‘TIMP 1’으로 불리는 한 화합물은 연구에서 회춘 효과가 있는 것으로 나타났다. 과학자들에게 높은 기대를 갖게 하는 또 다른 화합물들 중에는 근육의 성장을 촉진하는 ‘GDF11’과 기억을 형성하는 뇌의 일부분인 해마에서 세포 성장에 영향을 주는 성선자극호르몬분비호르몬(생식샘자극호르몬분비호르몬·GnRH)도 있는 것으로 알려졌다. 사진=123rf(위), PNAS 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

인식·지각 등 고차원적 기능은 못 살려 ‘몸과 분리된 뇌’ 등 윤리적인 논란도“창조주여, 제가 부탁했습니까? 진흙에서 저를 빚어 사람으로 만들어 달라고? 제가 애원했습니까? 어둠에서 절 끌어내 달라고?” 200여년 전인 1818년 영국 작가 메리 셸리(1797~1851)가 쓴 괴기소설 ‘프랑켄슈타인-근대의 프로메테우스’ 서문에 실린 ‘실낙원’의 한 구절이다. 무생물에 생명을 부여할 수 있는 방법을 알아낸 스위스 과학자 빅터 프랑켄슈타인 박사는 시체를 이용해 8피트(약 244㎝)의 인조인간을 만들어 생명을 불어넣는다. 이렇게 만들어진 괴물은 인간 이상의 힘을 발휘하고 자신과 똑같은 형태의 신부까지 요구했다. 그렇지만 새로운 인종이 나와 인간을 멸망시킬까 두려웠던 프랑켄슈타인 박사는 괴물의 요구를 거부했다가 살해당한다. 셸리는 소설을 쓰면서 영국 화학자 험프리 데이비의 전기분해 기술, 찰스 다윈의 할아버지 에라스무스 다윈이 수행한 자연발생 실험 같은 당대 최고 수준의 과학기술을 활용했지만 사람과 똑같은 형태와 기능을 갖춘 인조인간을 만든다는 생각은 공상에 불과했다. 그런데 최근 생물학과 생체공학 기술이 발달하면서 ‘프랑켄슈타인’ 몬스터 기술이 현실화되는 것 아니냐는 지적이 나오고 있다. 이 같은 상황에서 미국 예일대 의대, 코네티컷 재향군인의료시스템 재활연구센터, 보스턴대 의대, 피츠버그대 신경학과, 이탈리아 파비아대 생물학·생명공학과 공동연구팀은 죽은 지 몇 시간이 지난 돼지의 뇌를 다시 살려내는 실험 일부를 성공하고 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 18일자에 발표했다. 이번 연구 결과는 완벽하지는 않지만 죽은 생명체의 뇌 기능 일부를 다시 회복시켰다는 점에서 전 세계 과학계와 윤리학계에 충격을 안겨 주고 있다.연구팀은 보통 동물실험을 할 때 사용하는 실험용 무균돼지가 아닌 식재료 가공시설에서 얻은 생후 6~8개월 된 집돼지의 뇌 32개를 가지고 실험했다. 실험에 사용된 돼지의 뇌는 죽은 뒤 4시간이 지난 것들이었다. 보통 포유류의 뇌는 산소 공급에 매우 민감하기 때문에 짧은 시간 동안만 혈류가 중단되더라도 산소와 에너지 공급이 끊겨 회복 불가능한 뇌 손상을 일으키는 것으로 알려져 있다. 연구팀은 분리된 돼지의 뇌를 자체 개발한 ‘브레인 엑스’라는 장치에 넣은 다음 보호제와 안정제 등을 섞은 특수 용액을 혈액 대신 뇌 혈관에 주입해 영양과 산소를 공급하며 뇌 변화를 관찰했다. 그 결과 뇌세포 구조, 뇌혈관 구조가 정상적으로 회복되고 신경과 세포를 파괴하는 염증 반응이 줄어드는 한편 시냅스에서 자발적인 움직임을 보이는 것이 관찰됐다. 그렇지만 인식과 지각 같은 고차원적 뇌 기능을 위해 필요한 전기적 활동은 관찰되지 않았다고 연구팀은 설명했다. 이번 연구는 2013년 미국 버락 오바마 정부가 3조 5000억원을 투자해 진행 중인 뇌연구 프로젝트인 ‘브레인 이니셔티브’의 지원을 받아 진행됐다. 연구를 주도한 네나드 세스탄 예일대 의대(신경과학) 교수는 “이번 연구는 아직 초보적인 수준이지만 혈관의 촘촘한 연결 네트워크를 통해 뇌에 보호제를 공급하면 심각한 외상후 생존율을 높이고 신경학적 결손을 줄여 뇌사의 가능성을 획기적으로 줄일 수 있음을 보여 준 것”이라고 설명했다. 이번 연구 결과에 대해 생명윤리학자인 현인수 미국 케이스웨스턴리저브대 의대 교수는 “죽은 돼지의 뇌를 사실상 살려낸 이번 연구는 포유류의 뇌에 혈액 공급이 중단되면 몇 분 안에 사망한다는 기존의 생각을 뒤집는 것”이라며 “몸과 분리됐지만 살아 있는 뇌를 인격체로 보아야 하는지, 이런 연구에 대한 가이드라인을 어떻게 설정해야 하는지 등 논란거리들을 남겼다”고 설명했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

뇌는 우리 몸에서 운동과 감각, 정서, 인지, 사고 등 다양한 기능을 조절하는 사령탑이다. 인간의 뇌기능은 인간을 지구상의 어떤 동물보다 강하게 만들었다. 인간은 뇌의 지적 능력으로 지구상에서 특별한 존재가 됐다. 흔히 지능이라고 하면 ‘아이큐’(IQ)를 떠올린다. 다양한 인지적 능력 중 공통적인 능력을 ‘g 요소’라 부르는데, 아이큐는 g 요소를 대변한다. 하지만 이러한 공통분모만이 지능의 전부가 아니다. 다양한 영역의 지능인 ‘다중지능’도 중요한 부분이다. 그렇다면 뇌의 어떤 기능이 지능을 결정하는 것일까. 지능을 결정하는 요인을 단순히 뇌의 크기로 본다면 인간은 코끼리나 고래보다 열등할 것이다. 체중 대비 대뇌피질의 뉴런 수로 보자면 고양이와 돌고래가 인간보다 우위다. 이렇듯 어느 하나의 변수만으로는 인간의 특수성을 완전히 설명하기 어렵다. 따라서 체중 대비 뇌의 무게나 시냅스 개수, 굵고 빠른 축삭, 뉴런 간의 짧은 거리 등 여러 가지 특성의 조합을 고려해 봐야 한다. 수행능력을 담당하는 전전두엽의 백질과 회백질의 부피 비율은 인간이 가장 높다. 특히 뇌부위 간 연결성을 의미하는 백질은 그 비율이 다른 동물에 비해 월등하다. 이는 뇌부위 간의 연결성이 지능의 중요한 역할을 담당한다는 것을 의미한다. 최근 독일 괴테대학의 컬스텐 힐거 박사팀도 이러한 견해를 지지하는 연구 결과를 발표했다. 309명으로부터 얻은 휴식기 기능적 자기공명영상 데이터를 이용해 신경망을 분석했다. 특히 전체적인 네트워크의 하위 구조인 모듈 분석으로 전두엽과 두정엽 신경망 모듈의 연결성이 IQ와 유의미한 상관관계를 나타낸다고 보고했다. 특한 기능을 하는 뇌부위들을 연결하고 통합하는 과정이 지능이 높고 낮음에 영향을 준다는 것을 의미하는 중요한 결과다. 한편 미국 일리노이대학의 애런 바비 교수에 따르면 지능에는 두 가지 종류가 있다. 현재 경험을 과거 정보와 연결하는 ‘결정성’ 지능과 현재 경험에 적응하며 추론하고 문제를 해결하는 ‘유동성’ 지능이 존재한다. 영구적인 뇌연결을 만드는 것보다는 기존 정보를 지속적으로 업데이트하면서 새로운 연결을 만들 수 있을 때 더 좋은 뇌기능을 보인다. 정보 처리 과정에서 결정성 지능 신경망은 쉽게 접근할 수 있는 반면 유동성 지능 신경망은 접근이 어렵다. 따라서 이러한 신경망 사이에서 자유롭게 전환할 수 있는 ‘융통성’이야말로 지능의 핵심이라는 것이다. 요즘은 ‘인공지능’이 대세다. 몇 년 전 알파고가 인간을 능가하는 바둑 실력을 선보인 상징적인 사건이 있었다. 인공지능의 활용은 우리에게 현실로 다가왔다. 하지만 여전히 인공지능에 대한 기대와 우려가 있다. 인간 지능의 뇌과학적 기전에 대해서도 정확히 이해하지 못하고 있다. 뇌과학을 통해 인간 지능의 원리를 좀더 정확히 이해하게 될 때 인간에게 더욱 도움을 줄 수 있는 인공지능을 개발하는 데도 큰 역할을 하게 될 것이라고 기대해 본다.

거북개미 계급별 뇌 크기·모양 분석 여왕개미, 다른 계급 비해 뇌 용적 커 신경망 구조 복잡하고 시각처리 발달 평생 일만 하도록 ‘이타성’ 가진 일개미 뇌 크기 작지만 처리력 관련 부위 발달# 무더운 여름, 추운 겨울을 대비해 열심히 음식을 모으는 개미를 보면서 베짱이는 그늘에 앉아 악기를 연주하며 ‘인생을 즐길 줄 모르는 한심한 녀석들’이라고 비웃는다. 이윽고 겨울이 찾아오자 베짱이는 배고픔에 시달리다 결국 개미에게 음식을 구걸하는 신세가 되고 개미는 먹이를 나눠주면서 베짱이의 게으름을 질타한다.어린 시절 누구나 한 번쯤 듣고 읽은 이솝우화 ‘개미와 베짱이’의 내용이다. 부지런함과 노동의 가치를 설파하는 이 우화는 물론 많은 이야기에서 개미는 근면의 상징으로 묘사된다. 그렇지만 실상 개미 사회를 자세히 들여다보면 그렇지 않다는 것을 알 수 있다. 여왕개미, 수개미, 일개미, 병정개미로 엄격한 계급으로 나눠져 있기 때문에 이솝우화에서처럼 부지런히 일하는 개미는 일개미뿐이다. 생식 능력이 없는 일개미들은 오로지 여왕개미의 번식에 도움을 주기 위해 존재할 뿐이다. 자연선택과 성(性)선택을 통한 진화론을 주장한 찰스 다윈은 이렇듯 ‘의도하지 않은’ 이타성을 보이는 개미의 진화를 설명하는 데 어려움을 겪었다.미국 보스턴대 생물학과와 신경과학대학원, 스페인 바스크과학재단, 바스크대 인공지능(AI)·컴퓨터과학과, 도노스티아 국제물리센터, 레이후안카를로스대 생물·지리학과 공동연구팀은 개미들의 계급이 나뉘는 것은 뇌의 크기와 그에 따른 뇌신경 조직의 밀도, 시냅스 구성 패턴들이 다르기 때문이라는 연구 결과를 미국 공공과학도서관에서 발행하는 국제학술지 ‘플로스 원’ 3월 28일자에 발표했다. 개미의 계급 분화가 인슐린과 영양 상태 때문에 나타난다는 분자적 차원에서 수행된 연구들은 더러 있었지만 신경생물학적 차원에서 계급 분화를 분석한 것은 이번이 처음이다. 연구팀은 미국 플로리다 키스제도의 맹글로브숲에서 서식하는 거북개미를 대상으로 몸과 머리의 크기를 측정하고 뇌를 해부해 형광물질로 염색한 뒤 현미경으로 촬영해 뇌신경 구조를 관찰했다. 방패를 붙이고 있는 것처럼 머리가 납작한 거북개미는 다른 개미종(種)들처럼 여왕개미, 수개미, 일개미, 병정개미로 나뉜다. 이 중 병정개미는 납작한 머리를 이용해 평생 개미집 입구를 막는 ‘살아 있는 문’ 역할만 한다는 특징을 갖고 있다. 분석 결과 여왕개미는 다른 계급의 개미들보다 뇌 용적이 클 뿐만 아니라 인지능력과 관련한 신경망이 복잡하고 시각 처리 부분도 잘 발달해 있는 것으로 나타났다. 특히 짝짓기나 개미 집단을 구성하는 과정에서 뇌의 크기는 더 커지고 신경망 구조는 복잡해지는 것으로 조사됐다. 반면 일개미는 뇌의 크기가 가장 작고 신경망 구성도 단순하지만 일정 시간 내에 일을 수행할 수 있도록 하는 처리 능력과 관련된 부위는 다른 계급들보다 큰 것으로 밝혀졌다. 일개미의 이런 뇌구조는 여왕개미의 번식과 개미 군집의 유지를 위한 일만 할 수 있도록 진화한 것으로 연구진은 해석했다. 병정개미는 여왕개미와 일개미 중간 크기의 뇌와 뇌신경망을 갖고 있어 여왕개미와 일개미의 특징을 모두 공유하고 있는 것으로 조사됐다. 달시 고든 보스턴대 생물학과 교수는 “개미 사회에서 여왕개미만 번식에 나서고 나머지 개미들은 철저히 분업화하는 이유를 찾는 것은 생물학계의 오랜 숙제이기도 했다”며 “이번 연구는 크기와 모양이라는 형태학적 차이, 그리고 뇌신경망의 구조적 차이가 분업화와 계급화를 가져온다는 사실을 밝혀냄으로써 개미 이외 사회적 동물들의 뇌 진화에 대한 이해를 높일 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

우울증 환자의 뇌의 노화가 우울증에 걸리지 않은 사람보다 10년 일찍 시작한다는 연구결과가 나왔다.미국 예일대학 의대의 이리나 에스털리스 신경과학 교수 연구팀은 뇌의 노화를 10년 앞당길 수 있다는 연구결과를 워싱턴에서 열리고 있는 미국 과학진흥협회 연례회의에서 발표했다. 연구진은 만성 우울증 환자 10명(평균연령 40세)과 우울증에 걸리지 않은 사람(평균연령 36세)을 대상으로 뇌의 인지기능과 밀접한 연관이 있는 신경세포의 신호전달 통로 시냅스의 밀도를 양전자 방출 단층촬영(PET)으로 측정했다. 시냅스는 신호전달 통로로 시냅스가 얼마나 많고 강한지가 인지기능에 영향을 미친다. 연구진은 시냅스 밀도가 뇌 인지기능의 노화 정도를 나타낸다고 봤다. 조사를 한 결과 우울증 환자는 시냅스의 밀도가 우울증에 걸리지 않은 사람보다 2~3% 낮은 것으로 나타났다. 이 차이는 우울증 환자의 시냅스가 우울증에 걸리지 않은 사람보다 10년 일찍 엷어지기 시작하는 것이라고 연구진은 설명했다. 시냅스 밀도가 낮을수록 우울증의 증상은 더 심하게 나타난다는 사실도 밝혀졌다. 이 결과는 여성이 남성보다 우울증 유병률이 2배 많고 남성보다 알츠하이머 치매 위험이 3배 높은 이유를 찾아내는 데도 도움이 될 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있다. 연구팀은 앞으로 많은 우울증 환자를 대상으로 장기간에 걸쳐 대규모 연구를 진행할 계획이다. 신형철 기자 hsdori@seoul.co.kr

오류 가능성 높여 정신장애 원인되기도신약이나 새로운 물질을 개발할 때는 항상 동물을 이용해 독성이나 부작용을 확인하는 전임상실험을 합니다. 제브라피시나 초파리, 생쥐도 활용되고 있지만 이런 동물들로 실험을 할 경우 사람에게 나타날 수 있는 문제점이 발견되지 않을 가능성이 높습니다. 그렇기 때문에 사람과 유전자 일치도가 93.5%에 이르는 원숭이로 실험을 하곤 합니다. 원숭이는 사람과 유사성 때문에 뇌과학 연구에서도 많이 활용되고 있습니다. 이스라엘 와이즈만 과학연구소, 텔아비브대 의대, 미국 캘리포니아 로스앤젤레스대(UCLA) 신경외과 공동연구팀은 사람과 원숭이의 뇌를 비교 분석해 ‘뇌 소프트웨어’가 서로 다르다는 것을 밝혀냈습니다. 사람의 높은 지능은 물론 각종 정신장애의 원인도 다름 아닌 진화를 통해 장착된 뇌의 소프트웨어 때문이라는 것입니다. 이런 연구 결과는 생물학 분야 국제학술지 ‘셀’ 17일자에 실렸습니다. 그동안 많은 연구자들은 사람의 뇌를 이해하기 위해 이들 둘의 해부학적 차이(하드웨어)에만 주목해왔습니다. 그렇지만 이번 연구팀은 하드웨어가 아닌 소프트웨어인 뇌신호에 주목한 것입니다. 연구팀은 편도체와 대상피질에 주목해 비교했습니다. 진화적 관점에서 보면 원시적 영역인 편도체는 정서, 특히 공포감정과 공포기억에 관련돼 있으며 대상피질은 학습 같은 정교한 인지기능과 통제를 담당하는 것으로 알려져 있습니다. 뇌과학 연구의 궁극적 목표는 인간의 뇌에 대해 알고자 하는 것이지만, 사람의 뇌를 직접 연구하는 것은 쉽지 않은 일입니다. 멀쩡한 자신의 뇌를 열어 과학자들에게 공개하겠다고 나서는 사람은 없을테니 말입니다. 보통 뇌전증 환자들을 치료할 때는 뇌에 미세한 전극을 이식한 뒤 전기신호를 모니터링하면서 뇌의 어떤 부위에서 이상신호가 발생해 발작을 일으키는지를 찾습니다. 그 다음 이상신호를 유발시키는 손상된 뇌조직과 전극을 제거하는 수술을 하는 것이지요. 치료를 위해 전극이 심어져 있기 때문에 뇌전증 환자들은 이번처럼 뇌기능 연구에도 자발적으로 참여하기도 합니다. 연구팀 역시 뇌전증 수술을 받기 위해 전극을 이식받은 환자 7명과 원숭이 5마리를 대상으로 편도체와 대상피질의 뉴런 움직임을 비교했습니다. 연구팀은 두 영역에 있는 750여개의 뉴런을 대상으로 강건성(robustness)과 효율성(efficiency)을 분석했습니다. 강건성은 일부 뉴런이나 시냅스의 오작동이 있더라도 전체 시스템의 특성이 변하지 않는 성질을 말합니다. 반면 효율성은 정보처리의 속도를 위해 시스템 안정성을 희생하는 것을 의미합니다. 분석 결과 사람은 편도체나 대상피질 모두에서 강건성보다 효율성이 높은 것으로 나타났다고 합니다. 뇌의 효율성이 높다는 것은 환경에 빠르게 적응하기 위해 신경세포의 활성패턴을 빠르게 전환시킬 수 있다는 말이기도 합니다. 인간이 뇌의 효율적 활용을 위해 강건성을 희생한 것으로 해석할 수 있을 것입니다. 효율성 중심의 패턴 때문에 뛰어난 지적 능력을 발휘할 수 있겠지만 그만큼 오류 가능성도 높아집니다. 바로 이 오류가 정신장애라는 결과로 나타날 수 있다는 것이 연구진의 설명입니다. 연구진이 제시한 ‘강건성-효율성 상충가설’에 대해 많은 신경과학자들은 추가 연구를 통해 검증돼야 할 부분이지만 매우 흥미있는 내용이라고 평가하고 있습니다. 그런데 이번 연구 결과를 보면서 문득 스쳐지나간 생각입니다만, ‘이것이 신이 인간을 창조한 증거’라거나 ‘창조과학을 뒷받침하는 증거’라고 주장하는 사람들은 설마 없겠지요. edmondy@seoul.co.kr