성균관대 김진섭 교수 소속 국제 연구팀, 초파리 뇌 시뮬레이션으로 행동의 생성 과정 재현
- 10월 3일 Nature 특별호 게재
- 커넥톰(뇌의 지도) 활용, 단맛을 느끼면 먹으려 하는 행동 시뮬레이션

□ 성균관대학교(총장 유지범)는 생명과학과 김진섭 교수 연구팀이 소속된 국제 연구팀이 초파리 뇌 전체의 커넥톰 시뮬레이션을 통해 뇌에서 다양한 행동이 유발되는 과정을 컴퓨터로 재현하는 연구에 성공했다고 밝혔다.

□ 뇌의 지도, 커넥톰은 뇌를 이루는 모든 뉴런의 정밀한 형태와 그들 사이의 모든 시냅스 연결 구조를 드러내는 지도이다. 커넥톰은 뇌를 근본적으로 온전히 이해하기 위한 기반으로 믿어지며 미국 뇌과학 연구계획(브레인 이니셔티브)의 주요 목표이다. 그간 예쁜꼬마선충, 초파리 유충 등 신경계 커넥톰의 제작이 이뤄져 왔다. 

□ 10월 3일 공개되는 Nature 특별호에는 국제 초파리 커넥톰 연구 컨소시엄, FlyWire(https://flywire.ai)에서 발표한 9편의 논문이 동시에 실렸다. 9편의 논문은 최초의 성체 초파리 뇌 커넥톰의 완성 과정과 커넥톰의 전체 모습을 개괄한 논문으로 시작하여, 커넥톰의 자세한 구조를 심도 있게 분석한 연구, 초파리 뇌의 다양한 기능의 작동 기전을 커넥톰 분석과 동물 실험을 통해 규명한 다수의 연구 등이 포함되어 있다. 

□ 성균관대 김진섭 교수팀은 14만 개 뉴런과 5천만 개 시냅스로 이루어진 커넥톰의 네트워크를 활용하여, 서로 영향을 주고받는 뉴런들의 활성을 나타내는 세포막전위(membrane potential)를 방정식으로 표현한 뒤 컴퓨터를 사용하여 각 뉴런의 막전위 변화를 계산했다. 한 예로, 시뮬레이션을 통해 단맛을 느끼는 뉴런에 자극을 부여하자 음식 섭취에 사용하는 주둥이의 근육을 움직이는 뉴런에서 활성이 측정되었다. 이는 감각 뉴런과 행동 뉴런을 연결하는 뉴런들의 연쇄적인 활성화의 결과로 참여하는 뉴런들이 이루는 경로는 이 행동이 형성되는 과정을 보여준다(붙임 3: 논문 5). 

□ 성균관대 김진섭 교수는 “과거 뉴런 활성 시뮬레이션 연구들에서는 뉴런 활성 패턴이 실제 뇌와 유사하다는 발견에 그쳐 패턴의 의미를 이해할 수 없었다. 이번 연구는 구체적 행동이 뇌에서 유발되는 과정을 시뮬레이션으로 재현·이해할 수 있게 되었다는 점이 새롭다. 더 복잡한 뇌의 커넥톰 제작과 이를 활용한 연구도 이미 수행 중”이라고 설명했다.

□ 김진섭 교수 연구팀 외에도 FlyWire 컨소시엄에 다수 한국인 과학자들이 참여했다. 프린스턴 대학교 세바스찬 승 교수가 FlyWire를 주도하고 기술적 토대를 마련했으며(한국명 승현준/삼성리서치 사장 역임/붙임 3: 논문 1, 3, 9 교신저자), 연구실 소속 이기석 박사(현, Zetta AI; 커넥톰 스타트업)와 배준환 박사(현, 서울대 기초과학연구원)가 커넥톰 제작을 위한 소프트웨어 및 AI 기술 개발에 기여했다(붙임 3: 논문 1 공동저자). 캘리포니아 대학교 샌터바버라 김성수 교수 연구팀은 고등한 시각 인지에 필요한 뉴런들의 연결 구조를 규명했다(붙임 3: 논문 6 교신저자).

※ 논문명: A Drosophila computational brain model reveals sensorimotor processing
※ 저자명: P. K. Shiu (제1·교신저자), K. Scott (교신저자), 강찬혁, 유성봉, 김진섭 등 (공동저자)

1. 붙임 1: 컨소시엄 공동 보도자료 번역본
2. 붙임 2: 논문 전편 목록 및 링크
3. 연구 그림은 보도자료 하단 연구 그림 참조
4. 커넥톰을 시각화한 영상 자료: 하단 링크에서 다운로드 가능 https://drive.google.com/file/d/1lBNaX4k8vGwlaFoTU9YnL6BzGX9-0ofd/view

10월 3일 목요일자 보도자료 - 첨부파일 참조