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22살 카이스트 학부생이 쓴 연구논문이 뇌신경과학 분야 저명한 국제학술지 표지 논문으로 선정됐다.

카이스트는 “바이오및뇌공학과 백세범 교수 연구진에 소속된 4학년 김진우(22) 학생이 학부생 개별연구 프로젝트에서 두뇌의 시각 피질에서 관측되는 주요 신경망 연결 구조 중 하나인 ‘장거리 수평 연결’이 두뇌 발생 초기에 형성되는 원리를 규명했다”고 21일 밝혔다. 연구결과는 뇌신경과학 분야 ‘저널 오브 뉴로사이언스’의 표지 논문으로 선정됐다.

시각 피질은 두뇌에서 시각 정보처리를 담당하는 영역이다. 망막(눈 안쪽을 둘러싼 신경세포의 얇은 층) 신경망 영역을 통해 입력받은 시각 정보를 처리한다. 포유류의 시각 피질에서는 신경세포들이 외부 시각 자극의 특정 요소에만 선택적으로 반응한다. 비슷한 특성을 가지는 세포들은 공간적으로 멀리 떨어져 있어도 ‘장거리 수평 연결’이라는 특별한 상호 연결망 회로로 이어져 있다. 이런 특이한 신경망 연결 구조는 포유류의 시각 인지기능에 중요한 역할을 하는 것으로 생각돼왔지만, 뇌의 발생 초기 단계에서 어떻게 발생하는지는 아직까진 명확히 알려진 바가 없었다.

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연구진은 어린 포유류 동물이 눈을 뜨기 전 시각적인 학습이 전혀 이뤄지지 않은 상태에서 망막 내 신경세포들의 자발적인 활동으로부터 발생하는 ‘망막 파동’이 두뇌 시각 피질의 신경세포들을 특정한 공간적 패턴으로 자극하고, 이를 통해 ‘장거리 수평 연결’을 형성한다는 사실을 밝혀냈다. 즉 두뇌 발생 초기 상태에서의 신경망 형성 과정을 규명한 것이다. 망막 파동은 신경 세포들이 파도와 같은 파형으로 활동패턴이 확산하는 현상으로, 포유류의 초기 발달과정의 망막에서 나타난다.

백 교수 연구진은 컴퓨터를 이용해 망막 내 신경망 구조를 모델화하고, 이를 통해 망막 파동의 패턴이 시각 피질 내 구조 형성에 미치는 영향을 시뮬레이션했다. 그 결과 연구진은 망막의 신경절에서 자발적으로 발생하는 망막 파동이 시각 피질로 전달되는 과정에서 형성되는 선택적 활동 패턴이 시각 피질 내의 장거리 연결 구조를 형성함을 밝혀냈다. 이는 뇌 피질 내에서의 활동 패턴이 피질 구조를 결정한다는 기존 모델의 오류를 지적한 것으로, 망막에서 전달된 활동 패턴이 시각 피질의 구조를 형성하는 데 결정적인 영향을 끼친다는 새로운 연구이다.

김진우 학생은 “이와 같은 방향의 연구가 앞으로 데이터 학습에 의존하지 않는 새로운 형태의 인공신경망 연구에도 큰 도움이 될 것으로 기대된다”고 말했다.