IT-BT-뇌과학 융합

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IT-BT-뇌과학 융합

 

 

인간의 뇌는 약 1000억 개의 뉴런(신경세포) 로 구성되어 있다. 뉴런은 실과 같은 섬유를 통해 연결되어 있는데 각 뉴런은 시냅스라는 연결점을 통해 적게는 1000개에서 많게는 1만 개까지 다른 뉴런들과 연결되어 서로 정보를 공유한다.

각 시냅스는 흥분, 억제 등의 성격을 띠며, 경우에 따라 연결 상태 또는 단절 상태일 수 있다. 이 모든 경우의 수를 계산해 보면 뇌는 거의 무한에 가까운 영역이라 할 수 있다. 사실 그 숫자는 우주에 존재하는 모든 기본 입자의 수를 가볍게 능가한다. 거의 소우주라 불릴만한 인간의 뇌의 복잡성 때문에 과거에는 베일에 싸인 신비를 가지고 있었다.

그러나 1950년대에 개발된 유전자 판독 기술에 의해 뇌과학은 연구 가능한 하나의 학문으로 탈바꿈하게 된다. 이는 현대 생물학의 탄생을 견인했고, 유전자에서 세포, 순환계, 인식에 이르기까지 오늘날 신경과학의 엄청난 발전을 이루었다.

미래 뇌 과학 연구를 더욱 촉진하기 위하여 미국은 ‘뇌연구 10년(Decade of Brain)’법안, EU에서는 ‘유럽 뇌 연구 10년’ 법안, G7 국가는 공동으로 인간 프론티어 과학 프로그램(Human Frontier Science Program)을 제정하였다. 일본 또한 뇌의 세기(Century of the Brain)를 선언하여 뇌과학 연구에 집중 투자하고 있다. 일본 정부에서는 향후 20년 동안 뇌 연구에 30조원(2조엔, 180억달러) 즉 매년 1조5천억 원이 넘는 연구비를 투자하는 놀랍고도 야심 찬 계획을 세우고 있다. 우리 정부에서도 뇌 연구의 중요성을 인식하여 1998년도에 세계 최초의 구체적인 법인 ‘뇌연구촉진법’을 제정ㆍ공포하여 지난 10년간 뇌 연구에 많은 투자를 하였다. 또한 2008년부터 시작되는 ‘2단계 뇌 연구 촉진 계획’을 세우고 국가적인 뇌 연구원 설립계획을 세워 새로운 미래사회를 위한 도약을 준비하고 있다. 무한 경쟁 시대에서의 국가적 생존, 더 나아가 선진국 진입의 국가적 목표들을 달성하는데 뇌 과학 연구의 발전은 필수적이다. 뇌의 연구는 인류에게 남겨진 최후의 도전 과제가 되고 있는 것이다.

뇌과학은 건강한 뇌는 어떻게 정상적으로 작동하며, 지적 능력이 어떻게 기대 이상의 통찰력을 만들어 내는가 하는 물음에 대한 답을 구하려는 학문이라 할 수 있다. 즉 뇌과학은 뇌의 복합적인 기능과 구조에 대한 해석을 통해 인간이 가진 가능성의 한계에 대해 답을 구하는 분야이다. 다시 말해 뇌과학은 뇌의 신비를 규명함으로써 인간의 물리적, 정신적 기능을 심층적으로 탐구하는 것은 물론이고 수학·물리학·화학·생물학 등 기초과학 분야에 더해 의학·공학·인지과학 등을 복합적으로 적용해 보려는 시도이다. 뇌의 신비를 밝히는 일은 곧 인간이 갖는 물리적·정신적·총체적 가능성을 심층적으로 탐구하는 응용 학문에 해당한다. 좁은 의미로는 뇌정보처리 메커니즘의 이해를 바탕으로 모방과 응용을 통해 사람의 두뇌와 유사한 지능형 기계를 개발하는 목표를 지향한다.

초기의 뇌과학분야 연구는 심리학, 의학, 생물학, 생리학 등 분야에 따라 독자적으로 이루어졌으나, 최근에는 분야간 통합 및 융합 연구 추세가 강화되고 있으며, 물리적 통합에서 화학적 융합으로 빠르게 진화하고 있다. 또한 뇌연구는 융합과학기술분야 기반기술로서 과학분야뿐만 아니라 인문, 사회 분야 등의 각 산업분야에 커다란 파급효과를 미칠 것으로 예상된다.

 

기술 동

  • 뇌신경과학 분야

    • 뇌신경과학은 최근 생명과학계에서 가장 활발히 연구되고 있는 유망한 분야이며, 연구주체인 산·학·연에서 많은 관심을 가지고 주목하고 있음
      • Zebrafish의 시신경세포들에서 초단위의 반복적인 외부자극에 반응하여 자극주기의 시간적 정보를 기억하는 메커니즘 발견(’08, 「Cell」誌 선정 신경과학 분야 대표성과)
      • 파킨슨씨병의 주요 표적인 도파민 신경세포의 세포사를 조절할 수 있는 새로운 분자 표적 발굴(’09 「Cell」誌 게재, Salk Inst. Glass 교수)
    • 신경계의 형성 및 기능에 대한 생물학적 원리를 규명하여 인지행동 시스템 연구 및 질환 연구의 생물학적 근거를 제공하기 위한 연구가 활성화
      • 간질 발병을 멈출 수 있는 새로운 항경련성 컴파운드(paxilline)를 발견하였으며, 향후 paxilline의 항경련제 유효성 검증에 초점이 맞추어질 계획(카네기 멜론 대학)
      • 선택적으로 단백질 생산을 방해하여 헌팅턴병을 일으키는 비정상적인 분자생산을 막는 신물질 개발 (UT 사우스웨스턴 의료 센터)
    • 재생의학적 방법을 활용한 ‘줄기세포활용 신경전구세포’ 개발
      • 인간 배아줄기세포(hESC)로부터 도파민 작동성 뉴런(dopaminergic)을 생산하기 위한 기술 개발, 손상된 도파민 생산 세포(dopamine producing cell)를 치환하는 신경전구세포개발(Cell Cure)

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  • 뇌인지 분야

    • 뇌인지 분야는 신경시스템, 행동 및 인지기능의 작용기전을 규명하고 그 응용기술을 개발하는 분야로 최근 인간-컴퓨터 상호작용과 공학적 응용이 활발함
      • 세부 기술 분야로는 ①감각, 지각 및 운동, ②신경계의 통합적 조절 및 항상성, ③기억, 사고 및 의사결정, 의식, ④정서 및 주의로 분류가 가능
    • 생명공학, 전기생리학, 뇌영상, 의학, 인지심리 등 다양한 접근방법을 통해 시스템, 행동, 인지기능 들 간의 상호작용을 규명하는 연구가 확산
      • 인지 뇌지도 작성 : 4T 베리안 자성시스템을 이용하여 시각대외피질 기둥형 조직을 촬영할 수 있는 연구 추진(’10, 일본)
      • 물체를 인지하는 뇌 작동원리 이해를 위해 짧은꼬리 원숭이의 TE영역을 측정하는 신기술을 개발하고, 실험적 연구의 한계 극복을 위해 계산적 접근법 연구(’10, 일본)
    • 언어, 사고, 추론의 기전의 이해 및 의사결정의 뇌기전 이해를 연구하는 분야가 관심분야로 부각
      • 건강한 성인의 뇌신경영상 해독으로 뇌신경 연결 구조와 기능, DNA 샘플, 인구 정보, 실증 영상데이터 수집 수행, 뇌신경 연결 구조와 습관에 따른 개인차 연계 규명을 위해 인간 커넥톰 프로젝트 추진 (’09, 미국, NIH Grand challenge)

 

  • 뇌정보 처리 이해 및 응용 분야(뇌신경정보 및 뇌공학)

    • 대뇌이식용 미세전극의 전기/기계적 특성, 생체적합성 및 무선 신호전달 등과 관련된 연구 및 진행 영장류에 대한 prototype 실험을 활발히 진행 중
      • 뇌 모방형 정보통신 기술개발을 통해 뇌가 말초신경과 신호를 교환하고 정보를 처리하는 과정을 이해하는 컴퓨터 시뮬레이션 모델링 연구(‘09, EU)
      • 안구에 축적된 아밀로이드의 양을 레이저 스캐닝으로 탐지하여 알츠하이머를 조기 발견 및 진단 할 수 있는 진단기기4)를 개발
      • 초기 파킨슨병 진단시 활용된 CT(컴퓨터 단층촬영)를 대체하여 MRI, SPECT, PET 등 자기공명영상기술 활용
      • 뇌 이미징 기술로 치매의 발병 원인인 아밀로이드 플라크 형성 경로를 탐지하여, 알츠하이머나 파킨슨 질환의 조기 진단시 정확성을 높이고 질환 유발 경로를 모색
    • 비탐습식 (non-invasive) EEG 기반 회로는 이식할 필요가 없고 사회문화적인 거부감이 적어 일반적인 용도로 응용이 확산
      • EEG를 이용한 초기단계의 뇌-컴퓨터 인터페이스가 개발되어 게임기에 이용되고 있는 상황

 

  • 뇌 신경계 질환 분야

    • 뇌신경성 장애는 만성적이고, 그 증상이 아주 다양하며, 질환 발전 경로의 조기관찰이 힘들기 때문에 상당한 수준의 연구 역량이 요구됨

       

      [신경성 장애의 정의(WHO : 세계보건기구)]

      뇌, 척수, 뇌신경(cranial nerve), 말초신경, 신경근(nerve root), 신경근접합부(neuromuscular junction), 자가 신경 시스템, 그리고 근육에 장애가 있는 경우를 말함

       

      • 대표적인 뇌신경성 장애로는 간질, 알츠하이머 질환, 기타 치매 관련 질환, 뇌졸증, 편두통(migraine) 등 기타 두통(headache)을 포함한 뇌혈관 질환(cerebrovascular disease), 다발성 경화증, 파킨슨 질환, 신경감염증(neuroinfections), 뇌종양, 트라우마와 같은 신경시스템 질환 등이 있음
    • 알츠하이머병은 일부 유전적인 요인을 제외하고는 병인기전에 대해 정확하게 알려져 있지 않아, 초기진단의 필요성이 무척 중요하며 최근 관련연구가 활성화
      • 뇌척수액 및 신경 이미징 측정(Fluid and neuroimaging measure)이 알츠하이머를 조기 진단할 수 있는 유망 바이오마커로 전임상 단계에서 개발 중
      • 알츠하이머의 원인이 되는 뇌 내부 아밀로이드 플라그(amyloid plaques)의 증후를 A-beta 42의 낮은 뇌척수액(CSF) 레벨을 통해 알 수 있음을 전임상 단계에서 증명(워싱턴 의과대학)
      • 케모카인 수용체의 새로운 메카니즘을 발견하고, 새로운 알츠하이머 질환 신약모델을 제시(Roskamp 연구소)
    • 파킨슨병 극복을 위한 신약후보물질 개발 및 병의 진행과정에 대한 병리학적 추적을 위한 뇌스캐닝 기술개발
      • 신경퇴행성 질환에 적용할 새로운 저분자 컴파운드인 c-jun-N-terminal kinase 2/3 (JNK 2/3)를 개발 (Scripps 연구소)
      • MRI를 활용하여 개발한 방법으로, 파킨슨병의 진행 과정을 시각화하여, 그 과정을 병리학적으로 추적 가능하게 한 비외과적 뇌스캐닝 기술 개발(일리노이-Rush 대학 연구팀)
    • 만성 뇌질환 및 중추신경계 질환(특히 간질)을 치료할 수 있는 유전자 치료법 개발이 진행 중이며 파킨슨에서 헌팅턴 병으로 범위 확대
    • 기존 치료제의 단기적 치료효과를 개선하기 위해 신경세포 손상을 지연시키는 약물개발 추진
    • 산업계의 신경질환 치료제 개발은 중추신경계 질환(CNS)과 말초신경계 질환(PNS)연구로 나뉘어 진행되고 있으며, 선도 치료제 개발 연구가 활성화
      • 간질 치료제 : 가장 유망한 파이프라인은 Amarin의 lorazepam 비강 투여물(nasal formulation)/ 전임상 중
      • 헌팅턴병 치료제 : ’07년 Amarin은 AMR101에 대해 각각 두 차례 수행된 임상 3상 결과를 긍정적으로 발표
      • 파킨슨병 치료제 : 유망 신약후보물질인 Apomorphine(dopamine agonist)는 수년간 유럽과 미국에서 피하주사 형태로 이용
      • 주요 신경 질환의 임상 파이프라인 개발현황을 보면, 알츠하이머의 신약후보물질 개발이 가장 활발하게 추진되고 있음

         

         

        <그림 2. 주요 뇌신경성 질환의 신약후보물질(파이프라인) 개발 현황>graph01

        출처 : R&D Trends : Multiple Sclerosis 2011(10p), Datamonitor(2011. 3)

 참고 자료:  뇌과학연구 동향 및 시사점 (이천무, 2011)