"포유류 두뇌 발생 초기, 신경망에 연결 구조 생기는 원리 밝혀"

(왼쪽부터) 백세범 교수, 김진우 학사과정, 송민 박사과정. KAIST 제공

한국과학기술원(KAIST) 학부생이 쓴 논문이 권위 있는 국제 학술지 표지논문에 실렸다.

KAIST는 바이오·뇌공학과 4학년 김진우 학생이 쓴 논문 '시각 피질에서 장거리 수평 연결을 발생시키는 자발적인 망막 파동'이 뇌 신경 과학 분야 학술지 '저널 오브 뉴로사이언스'(Journal of Neuroscience) 지난 19일 자 표지논문으로 선정됐다고 21일 밝혔다.

시각 피질은 두뇌에서 시각 정보처리를 담당하는 영역이다.

망막 신경망 모델을 이용한 망막 파동의 컴퓨터 시뮬레이션. KAIST 제공

김진우 학생이 포함된 연구팀은 이번 연구를 통해 아직 시각적인 학습이 이뤄지지 않은 어린 포유류 동물에서 어떻게 뇌의 주요 신경망 연결 구조의 하나인 장거리 수평 연결이 형성되는지 밝혔다.

포유류의 시각 피질에서는 신경세포들이 외부 자극의 특정 요소에만 반응하는 '신경 선택성'을 보인다.

비슷한 신경 선택성을 갖는 세포들은 서로 멀리 떨어져 있어도 장거리 수평 연결이라는 특별한 연결망 회로로 이어져 있다.

이 같은 신경망 연결 구조는 포유류의 시각 인지기능에 중요한 역할을 하는 것으로 알려졌지만, 뇌 발생 초기 단계에서 외부 자극 없이도 어떻게 자발적으로 발생하는지는 밝혀지지 않았다.

연구팀은 포유류의 눈 망막 초기 발달과정에서 나타나는 '망막 파동'이 장거리 수평 연결을 만드는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 규명했다.

망막 파동은 신경절 세포들이 차례대로 발화해 파도처럼 패턴이 확산하는 현상이다.

우선 망막 내 신경망 구조 모델을 만든 뒤 망막 파동의 패턴이 시각 피질에 전달돼 신경세포들을 자극하는 과정을 컴퓨터로 시뮬레이션했다.

그 결과 망막 신경절에서 자발적으로 발생한 망막 파동이 시각피질로 전달되는 과정에서 특이한 선택적 활동 패턴이 나타났고, 그것이 시각 피질 내 장거리 연결 구조를 형성하는 것으로 나타났다.

뇌 피질 내 활동 패턴이 피질 구조를 결정한다는 기존 이론과는 달리 망막에서 전달된 활동 패턴이 시각 피질 구조를 만드는 데 중요한 역할을 한다는 새로운 모델을 제시했다.

김진우 학생은 "뇌가 외부 세계의 정보를 처음 경험하기 이전에 어떻게 학습을 하는지에 대해 이론적으로 설명할 수 있는 연구"라며 "데이터 학습이 필요 없는 새로운 형태의 인공신경망 연구에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 백세범 교수가 교신저자, 송민 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여했다.

송현수 기자 songh@busan.com

송현수 기자 songh@busan.com