22세의 KAIST 대학생이 쓴 논문이 뇌신경과학 분야의 세계적 학술지 표지 논문에 선정됐다.
21일 KAIST는 바이오·뇌공학과 4학년 김진우(사진) 학부생이 참여한 연구 논문이 국제학술지 ‘저널 오브 뉴로사이언스’의 지난 19일자 표지 논문으로 실렸다고 밝혔다. 이번 연구는 두뇌 시각피질에서 관측한 주요 신경망 연결 구조 중 하나인 ‘장거리 수평 연결’이 두뇌 발생 초기에 형성되는 원리를 규명한 것이다. 논문에는 이 학교 백세범 교수가 교신저자, 송민 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여했다.
연구팀은 이번 연구를 통해 아직 시각적인 학습이 이뤄지지 않은 어린 포유류 동물에서 어떻게 장거리 수평 연결이 형성되는지 밝혔다. 포유류 시각피질에서는 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 초기단계에서 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.
연구팀은 망막 파동이 시각피질로 전달되는 과정에서 특이한 선택적 활동 패턴을 보이고 그것이 시각피질 내 장거리 연결 구조를 형성하는 것을 발견했다. 이를 통해 뇌 피질 내 활동 패턴이 피질 구조를 결정한다는 기존 이론과는 달리 망막에서 전달된 활동 패턴이 시각피질 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.
/박현욱기자 hwpark@sedaily.com
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