[위즈뉴스] 국내 연구진이 ‘창업(創業)은 쉬우나 수성(守成)은 어렵다’는 고사성어의 과학적 원리를 밝혀냈다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영)은 12일, 인지 및 사회성 연구단 신희섭 명예연구위원 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 뇌과학연구소 조일주 단장 연구팀과 공동으로 ‘초소형 무선 뇌 신호 측정 시스템’을 개발해, 경쟁에서 목표물을 얻기보다 지키는 행동이 어렵다는 과학적 원리를 규명했다고 밝혔다.
이번 연구 결과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 ‘바이오센서스앤바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics, IF=10.618)’ 10월 5일자 온라인 게재됐다.
논문명은 'Interference-free, lightweight wireless neural probe system for investigating brain activity during natural competition'이며, 신희섭 IBS 명예연구위원과 KIST 조일주 단장이 공동교신저자로, KIST 신효근 뇌과학연구소 박사후 연구원과 IBS 변준원 통합과정생이 공동제1저자로 참여했다.
연구팀의 신희섭 명예연구위원은 “자유롭게 행동하는 동물간 경쟁에서 중요한 행동 유형을 발견하고, 그에 따른 뇌 신호를 관찰한 것은 이번이 최초”라며 “경쟁을 비롯한 다양한 사회성 연구에 확대 적용할 계획”이라고 전했다.
‘경쟁’은 대표적인 사회적 상호작용이지만, 내측 전전두엽이 관련 있다고 알려졌을 뿐 신경과학적으로 밝혀진 바가 거의 없다.
기존의 뇌 신호 측정도구는 대부분 유선인데다 무거워 동물실험에 한계가 많았다. 최근 무선 시스템이 개발됐지만, 시스템 간 신호 간섭 때문에 여러 동물이 필요한 사회성 실험에는 적용이 어려웠다.
연구진은 기존의 한계를 극복한 ‘초소형 무선 뇌 신호 측정 시스템’을 개발했다. 이는 블루투스 무선통신과 신호분석 칩을 적용하여 여러 생쥐의 뇌 활동을 무선으로 실시간 동시 측정 및 분석할 수 있으며, 매우 작고 가벼워(1.5x1.5x2cm, 3.4g) 동물 행동에 제약을 주지도 않는다. 블루투스 무선통신은 2.4GHz의 라디오파를 사용하는 일대일 근거리 무선 통신 기술로서, 신호 간섭이 잘 일어나지 않는 장점이 있다.
연구진은 경쟁 시 행동과 뇌 활동의 연결고리를 찾고자 공복상태의 생쥐 두 마리에 개발한 시스템을 장착해, 먹이 경쟁 실험을 진행했다.
[그림설명] 개발한 초경량 무선 뇌 신호 측정 시스템 및 시스템이 장착된 생쥐 사진
(왼쪽) 초경량 무선 뇌 신호 측정 시스템을 포함한 무선 뇌 신호 측정을 위해 필요한 구성요소, (오른쪽) 전체 시스템이 장착된 생쥐 모습
직사각형 상자 내 시작 영역에 두 마리 생쥐가 동시에 들어가면, 맞은편에 먹이를 제공하여 경쟁을 유도했다. 내측 전전두엽 분석 결과, 먹이를 빼앗거나 지킬 때 뇌 활동이 활발해짐을 확인하였다. 내측 전전두엽이 경쟁 중 목표물 뺏기와 지키기 행동과 직접 연관됨을 알 수 있다.
특히 뇌 활동은 상대의 먹이를 빼앗은 후 이를 지키는 행동으로 전환할 때 더욱 격렬해졌다. 경쟁 시 목표물을 쟁취하는 것보다 지키는 행동이 더 힘들고 중요하다는 의미다.
조일주 단장은 “행동에 따른 뇌 신호 변화 관찰에 유용한 도구를 개발했다”며 “이에 약물 전달, 빛 자극 등 다양한 기능을 추가하여 뇌 작동 원리 규명 및 뇌 질환 정복에 기여하고자 한다”고 말했다.
