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분자 하나로 양자의 성격 읽는 센서 개발
분자 하나로 양자의 성격 읽는 센서 개발
- 한-독 연구진, 양자 물질을 위한 MRI 개발 … Nature Nanotechnology誌 게재 -
- 원자 수준에서 물질 탐구하는 양자 기술‧생화학 등 분야 응용 기대 -
지름이 1~2Å(옹스트롬, 1Å은 10분의 1nm)에 불과한 원자를 광학현미경으로는 볼 수 없다. 빛의 파장이 수백 nm가 훌쩍 넘기 때문이다. 작은 원자를 정밀하게 시각화하려면 관찰하는 도구도 그만큼 작아져야 한다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 안드레아스 하인리히 양자나노과학 연구단장 (이화여대 석좌교수) 연구팀은 독일 율리히연구소와 국제 공동연구를 통해 원자 세계를 위한 양자 센서를 개발 했다.
양자 센서는 양자얽힘이나 중첩과 같은 양자역학적 현상을 정밀 측정에 이용하려는 기술이다. 큐비트(양자비트)가 초전도, 이온트랩, 양자점 등 다양한 설계 방식으로 구현되듯, 양자 센서도 다양한 종류가 개발됐다. 하지만 기존 기술은 원자 수준의 공간 해상도(센서가 감지할 수 있는 최소 거리)를 달성하지는 못했다.
공동 제1저자인 디미트리 보로딘 IBS 양자나노과학 연구단 박사후연구원은 “ 작은 대상을 보려면 관측 도구 역시 작아져야 한다 ”며 “물질을 시각화하는 기존 기술은 거대하고 부피가 큰 탐침을 사용하여 작은 원자의 특성을 분석하려고 했다”고 말했다.
연구진은 양자 물질을 위한 일종의 자기공명영상장치 (MRI) 를 고안 했다. 연구진이 고안한 시각화 기술은 주사터널링현미경(STM) 1) 의 뾰족한 탐침 끝에 PTCDA라는 분자를 부착하고, 전자스핀공명(ESR) 2) 측정을 수행하는 방식이다. 연구진은 PTCDA 분자가 탐침과 접촉하고 있는 상태에서도 재료의 전자스핀공명 측정이 가능하다는 것을 확인했다.
이후 연구진은 원자 단위 센싱 성능을 검증 했다. 은(Ag)과 철(Fe)이 섞인 물질에서 각 원자의 전기장과 자기장을 측정할 수 있었다. 기존 기술은 단일 원자 크기 수준의 시료에서 전자기장 및 자기장을 측정하기 어려웠고 또한 원자 크기 수준의 분해능으로 시료의 위치를 특정하는 것이 불가능했다.
개발된 양자 센서는 독보적 성능을 나타냈다. 공간 분해능이 대폭 향상 됐다. 0.1Å의 공간 분해능으로 자기장과 전기장의 변화를 감지할 수 있었다. 원자의 지름보다 10배 이상 작은 공간에서 나타나는 변화까지 감지할 수 있다는 의미다.
연구진은 개발한 양자 센서가 양자 물질과 소자 설계, 새로운 촉매 개발, 생화학 분자의 양자 특성 탐구 등에 폭넓게 응용될 것으로 기대하고 있다. 새로운 장비를 갖출 필요 없다는 것도 응용에 있어 큰 장점으로 다가온다. STM을 갖춘 실험실이라면 손쉽게 기존 장비를 활용해 양자 센서를 구현할 수 있다.
공동 제1저자인 타너 에삿 독일 율리히연구소 연구원(前 IBS 양자나노과학 연구단 박사후연구원)은 “우리 연구진이 개발한 양자 센서는 MRI만큼 풍부한 이미지를 제공하는 동시에 단일 원자 수준의 공간 분해능을 갖춘 ‘게임 체인저’다”라며 “가장 기본적인 수준에서 물질을 탐구하고 이해할 수 있게 될 것”이라고 말했다.
공동 교신저자인 배유정 스위스 연방 재료과학기술 연구소 그룹리더(前 IBS 양자나노과학 연구단 박사후연구원)는 “물질을 관찰하고 연구하기 위한 도구의 혁명은 축적된 기초과학에서 비롯된다”며 “‘바닥에는 여전히 많은 공간이 있다’는 리차드 파인만의 명언처럼 물질을 단일 원자 수준에서 조작하는 기술의 잠재력은 무한하다”고 말했다.
연구 결과는 7월 25일 18시(한국시간) 나노 기술 분야 권위지인 ‘ 네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology, IF 38.3)’에 게재됐다.
그림 설명
[그림1] 독보적 성능을 갖춘 양자 센서 제시
기존 STM 이미지(왼쪽)와 개발된 양자 센서로 얻은 이미지(오른쪽)의 성능을 비유한 그림. 기존 STM으로 원자를 관찰하면 흑백의 저해상도 이미지만 얻을 수 있었지만, 새로운 양자 센서는 고해상도의 생생하고 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
[그림2] 양자 센서 구동 원리
연구진은 STM의 탐침 끝에 PTCDA 분자를 부착하고, ESR을 측정하는 방식으로 전례 없는 수준의 감도와 공간 분해능을 달성했다.
1) 주사터널링현미경(STM) : 뾰족한 금속 탐침으로 표면을 읽어 원자를 관찰하는 기술로, 인형 뽑기처럼 원자 하나를 집어 위치를 이동시키는 것도 가능하다.
2) 전자스핀공명(ESR): 스핀의 방향이 위(↑)나 아래(↓)로 바뀌는 과정에서 방출하는 에너지 크기를 토대로 원자 내부 상태를 파악하는 기술이다.
2024.07.25
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뇌세포 속 우체국, ‘골지체’ 작동시키는 핵심 이온 채널 밝혔다
뇌세포 속 우체국, ‘골지체’ 작동시키는 핵심 이온 채널 밝혔다
- IBS, 세포 내 단백질 변형․운송 담당하는 골지체의 양이온 채널 규명 -
- 손상 시 기억력 감퇴...인지 장애 등 뇌질환에 대한 새로운 치료 표적 제시 -
기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장 연구팀과 바이오분자 및 세포 구조 연구단 김호민 CI (Chief Investigator, KAIST 생명과학과 교수) 연구팀은 세포 속 단백질의 변형과 운송을 담당하는 ‘골지체’의 형태 유지와 기능에 핵심적인 이온 채널(통로)의 작동 메커니즘을 규명 했다. 또한, 뇌세포 골지체의 이온 채널 손상과 인지 장애와의 관계를 밝혀 뇌질환에 대한 새로운 치료 표적을 제시 했다.
골지체(Golgi apparatus)는 세포에서 우체국 역할을 수행한다. 소포체로부터 합성된 지질과 단백질 등을 받아들여 가공․변형시키고, 다른 세포 소기관과 세포 외부로 운송한다. 골지체의 형태 유지와 기능을 위해서는 이온 채널에 의해 내부가 pH 6.0~6.7의 약산성으로 유지되는 것이 중요 한데, 이온 채널의 이상은 골지체의 구조적 변화를 일으킨다고 알려져 있다. 이러한 변화는 인지 장애를 동반한 알츠하이머에서 흔히 발견되지만 이온 채널에 대한 이해 부족으로 골지체 구조와 인지 장애 사이의 관계는 여전히 명확하지 않았다.
이창준 단장 연구팀은 뇌세포 골지체의 주요 이온 채널을 찾기 위해 기능이 알려지지 않은 막단백질에 집중해왔다. 2023년에는 해마의 별세포 1) 와 신경세포에서 높게 발현하는 것으로 확인된 TMEM87A라는 막단백질이 뇌세포의 골지체 내 산도를 조절하는 양이온 채널 임을 밝혔다. 그리고 이 막단백질의 생리적 역할을 강조해 ‘ 골프캣 (Golgi-pH-regulating cation channel, GolpHCat)’ 으로 명명 했다.
이번 연구에서는 김호민 CI단장 연구팀과 함께 IBS의 초저온 전자현미경 2) (Cryo-EM) 을 이용해 3.1 옹스트롬(1/1억 cm)의 초고해상도로 골프캣의 3차원 분자 구조를 규명 했다. 또한 전기생리학 실험과 분자동역학 분석을 통해 이온의 이동경로를 제시하고, 골프캣이 세포막 통과 단백질의 전압 변환에 따라 통로가 열리는 전압 의존성 채널 임을 밝혔다.
골프캣은 세포 외부에서 세포막으로 이어지는 내강 도메인과 7개의 세포막 관통 나선을 가진 막 관통 도메인의 구조로 이루어졌으며, 막 관통 도메인의 중앙 에는 공동(空洞)을 가지고 있다. 공동은 골지막에서 유래한 포스파티딜에탄올아민 3) (Phosphatidylethanolamine) 의 지방산 사슬에 의해 물리적으로 차단 되어 이온이 통과되지 않는다. 그러나 전압이 가해지면 전압 감응센서 역할을 하는 막 관통 도메인의 세 번째 나선이 활성화돼 개방 된다. 이때, 골프캣의 깔때기 모양 내강 안쪽에 분포해 있는 음전하를 띈 잔기가 나트륨(Na), 칼슘(K), 세슘(Cs) 양전하 이온을 내부로 끌어들인다. 이렇게 골프캣은 양이온이 이동하는 통로 가 되며, 음이온 채널과 함께 골지체의 막전압을 적절히 조절해 내부 산도 등 항상성 유지 에 기여한다.
또한, 연구팀은 골프캣 손상에 따른 생물학적 기능 변화를 확인하기 위해 골프캣 유전자가 결손된 생쥐의 뇌세포를 관찰 했는데, 골지체가 파편으로 나뉘거나 부어오르는 등 비정상적인 구조 변화를 확인 했다. 구조 변화는 골지체의 주요 기능 중 하나인 단백질 글리코실화 4) (Glycosylation) 작용을 방해 하고 결국, 생쥐의 학습 및 기억력 손상 으로 이어졌다. 이러한 결과는 골프캣의 정상적인 작동이 인지 기능에 중요 함을 나타내며 골프캣을 표적으로 하는 새로운 인지 장애의 치료 가능성을 시사 한다.
김호민 CI는 “이번 연구는 신경생물학, 구조생물학, 분자동역학, 글리코믹스(당질체학) 등 다양한 첨단바이오 분야 연구기술이 총망라된 기초․공학 융합연구의 결과 ”라며, “학문 간 장벽을 허물고 협력하여 우수한 성과를 거둔 성공적 사례”라고 말했다.
연구를 이끈 이창준 단장은 “골지체의 형태적․기능적 변화가 어떻게 기억력에 관여하는지 밝혔다”라며, “ 골치체의 분자적 메커니즘을 정확히 이해 하면 다양한 신경 퇴행성 뇌질환에서 발견되는 인지 장애에 대한 새로운 치료방법을 찾을 수 있을 것으로 기대 한다”라고 전했다.
새로운 골지체 이온 채널을 발견하고 그 기능과 구조, 생리학적 중요성을 규명한 이번 연구는 IBS의 생명과학 분야 연구단 간 연구협력 시너지를 높이기 위해 출범한 IBS 생명과학 연구클러스터의 대표적 공동 연구성과다. 또한 최선 이화여자대학교 약학과 교수(과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구사업, 바이오·의료기술개발사업(인공지능 활용 혁신신약 발굴사업), 선도연구센터 지원사업(MRC)), 안현주 충남대학교 분석과학기술학과 교수 연구팀이 공동으로 수행했다.
연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF=14.7)’에 7월 11일 (한국시간) 온라인 게재 됐다.
그림 설명
[그림 1] GolpHCat의 분자구조연구에 대한 모식도
초저온전자현미경법을 이용해 고해상도로 인간 GolpHCat의 분자구조를 규명해 GolpHCat이 두 개의 도메인으로 구성된 단량체의 특이한 구조를 가진 이온채널임을 밝혔다. 약리학적 억제제(글루코네이트)와의 복합체 구조 및 인지질 결합 방해 돌연변이 구조를 추가적으로 규명했다. 이들 분자구조를 바탕으로, 전기생리학실험과 분자동역학 모델링 실험을 통해 단량체 내부의 이온전달경로와 전압감응채널개폐 작용기전을 규명했다. 특히, GolpHCat의 깔때기 모양 내강 안쪽에는 음전하를 띈 잔기가 분포해 있어 양이온들을 끌어들이는 입구 역할을 수행함을 밝혔다. 약리학적 억제제가 GolpHCat 안쪽 중요한 이온전달경로를 막고 있음을 확인했다(오른쪽 위). 또한, 분자동역학실험을 통해 인지질의 결합 경로와 인지질의 다양한 결합 형태를 확인했고, 골프캣의 전압감응센서와 전압감응 채널 개폐 기전을 제안했다(오른쪽 아래).
[그림 2] GolpHCat은 정상적인 골지체 구조 유지에 중요
GolpHCat은 골지체 pH를 조절하는 양이온 채널로써, 해마 내 별세포와 신경세포의 골지체가 정상적인 구조를 유지하는 것에 중요하다.
해마 내 별세포(Astrocyte)와 신경세포(Neuron)의 골지체 구조를 투과 전자 현미경을 이용해 관찰하였다. GolpHCat 유전자 결손 생쥐(GolpHCat KO)의 별세포와 신경세포 내 골지체 모두 대조군(WT)에 비해 골지의 최대 길이(Maximum length of golgi cisternae)는 줄어들고 골지 폭(Width of Golgi)은 늘어나면서, 쪼개지거나 부풀어 오른듯한 구조를 보였다. 해마 내 별세포와 신경세포의 골지체가 정상적인 구조를 갖는 데에는 GolpHCat이 관여한다.
[그림 3] GolpHCat 유전자 결손 생쥐에서 나타나는 기억력 감퇴 현상
해마 내 별세포와 신경세포에 발현하는 GolpHCat 유전자 결손 생쥐에서 해마 의존적인 기억력이 감소하는 것을 확인했다.
(왼쪽) 생쥐의 공간 기억을 평가하는 새로운 장소 인식 실험(Novel place recognition test)은 생쥐가 탐색상자에 놓인 두 개의 물체를 탐색한 뒤 일정 시간 후 두 물체 중 하나를 새로운 위치로 옮겼을 때, 생쥐가 물체를 탐색하는 것을 관찰해 물체의 위치(공간)을 기억하는지를 평가한다. GolpHCat 유전자 결손 생쥐(GolpHCat KO)는 대조군(WT)에 비해 익숙한 물체의 탐색 시간이 늘어나고, 오히려 새로운 위치의 물체를 탐색하는 시간이 줄어들며 식별력과 공간 기억력이 저하됐다.
(오른쪽) 생쥐의 맥락적 기억을 평가하는 맥락적 공포 조건화 실험(Contextual fear conditioning test)은 실험상자의 바닥을 통해 약한 전기 충격을 받은 생쥐가 상당 시간 후 다시 실험상자에 놓였을 때, 얼어붙듯 움직이지 못하며 공포 반응을 보이는지를 관찰하여 맥락적 기억을 평가한다. 유전자 결손 생쥐(GolpHCat KO)는 대조군(WT)에 비해 공포 반응 시간이 줄어들어 맥락적 기억력이 저하됐다.
1) 별세포(Astrocyte) : 뇌에서 가장 많은 수를 차지하는 별 모양의 비신경세포
2) 초저온 전자현미경(Cryo-EM) : 생체 시료를 영하 200℃에 가까운 초저온 상태로 동결시켜 정밀 관찰하는 전자현미경이다. 일반 광학현미경에 비해 수천 배 이상의 높은 해상도를 가진다. 자유롭게 움직이는 단백질은 물론 바이러스 등 생체 분자의 3차원 구조를 원자 수준에서 규명할 수 있다.
3) 포스파티딜에탄올아민(Phosphatidylethanolamine) : 인산기에 에탄올아민이 결합된 인지질의 한 종류로, 세포막의 중요한 구성 성분이다.
4) 글리코실화(Glycosylation) : 글리코실화(또는 당화)는 단백질 변형 중의 하나로, 단백질의 세린이나 아스파라진 등 아미노산에 탄수화물(당)이 결합하는 현상이다. 단백질에 탄수화물이 결합함으로써 단백질에 실제 기능이 생기거나 활성화된다.
2024.07.16
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바이러스는 죽어서 면역에 흉터를 남긴다
바이러스는 죽어서 면역에 흉터를 남긴다
- IBS 한국바이러스기초연구소, C형 간염 바이러스가 남긴 후성유전학적 흔적 발견 -
- 염증성 질환 가능성 있어 장기적인 환자 건강 모니터링 필요성 제시 -
호랑이는 죽어서 가죽을 남기고, 사람은 죽어서 이름을 남긴다는 말이 있다. 그럼 바이러스는 죽어서 무엇을 남길까. 우리 몸이 바이러스에 감염됐다가 회복한 이후 생기는 변화에 대해서는 그간 연구가 많이 이뤄지지 않았다.
기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 한국바이러스기초연구소 바이러스 면역 연구센터 신의철 센터장 (KAIST 의과학대학원 교수) 연구팀은 서울시 보라매병원, 연세대 세브란스병원 연구팀과 공동으로 C형 간염 바이러스가 사라져도, 환자의 면역세포에는 지워지지 않는 흔적이 남는다 는 것을 알아냈다.
C형 간염은 C형 간염 바이러스(HCV)의 혈액이나 체액 전파로 인해 발생한다. 감염되면 절반 이상이 만성으로 진행되며, 장기간 염증이 반복되면서 간이 굳는 간경화나 간암 등 합병증을 초래한다. 우수한 항바이러스제가 개발되며 완치율이 100%에 근접해졌지만, 치료 후에도 환자의 면역 체계가 완전히 정상화되지 않는다는 보고 가 있었다.
IBS 연구진은 만성 C형 간염 치료 후 면역계의변화를 규명하기 위해 조절 T세포에 주목 했다. 조절 T세포는 면역 반응의 조절 및 항상성 유지를 담당하는 세포로, C형 간염 바이러스 감염 시 그 수가 늘어나고 활성도 변화를 겪는 것으로 알려져 있었다.
우선, 연구진은 만성 C형 간염 환자의 혈액을 채취해 항바이러스제 치료 전후 조절 T세포의 상태를 비교 했다. C형 간염 바이러스에 감염되면 말초 혈액 속 조절 T세포가 많아지는데, 바이러스 제거 후에도 많은 수가 유지 됐다. RNA 염기서열분석으로 살펴본 결과, 바이러스가 사라져도 염증성 사이토카인인 TNF(종양괴사인자) 생산 능력이 사라지지 않았다. 바이러스 감염으로 인해 변한 조절 T세포의 염증성 특성이 완치 후에도 여전히 남아 있다 는 의미다.
공동 제1저자인 김소영 연구원은 “C형 간염 치료 후에도 조절 T세포가 정상화되지 않는다는 보고는 이전에도 있었지만, 분자 수준에서 세포 집단의 변화를 규명해 바이러스가 남긴 ‘면역 흉터’를 명확히 그려낸 건 이번이 처음”이라고 말했다.
이어 연구진은 유전자의 후천적 변화를 살펴볼 수 있는 첨단 기법(ATAC-seq)을 이용해 치료 전후 조절 T세포를 비교 분석했다. 그 결과 C형 간염 바이러스 치료 이후에도 면역에는 염증성 후성유전학적 변화가 남아 있음을 확인했다.
공동 제1저자인 고준영 연구원은 “항바이러스제 치료는 간암 등 합병증 발병 위험을 효과적으로 감소시키지만, 면역에 남은 흔적이 회복된 환자의 면역 체계에 장기적인 영향을 미칠 수 있음을 보여준다”고 설명했다.
연구진은 염증성 후성유전학적 변화가 생기면 만성 C형 간염 환자가 완치 후에도 염증성 질환이 잘 생기게 될 것이라고 추정 하고 있다. 더 나은 환자 치료 및 관리를 위해 조절 T세포에 남은 흔적이 환자의 건강에 미치는 영향을 구체적으로 밝히는 추가 임상 연구가 필요함을 보여준다.
연구를 이끈 신의철 센터장은 “다른 만성 바이러스 감염에서도 유사한 후성유전학적 흔적이 남아 있는지 살펴볼 계획”이라며 “어쩌면 코로나19 이후에 겪는 롱-코비드 역시 조절 T세포에 남은 흔적이 원인일 수 있어 추가 연구가 필요하다”고 말했다.
연구 결과는 6월 13일 국제학술지 의학 분야 권위지인 ‘ 간장학 저널 (Journal of Hepatology, IF 26.8)’ 온라인판에 실렸다.
※ 논문명: Epigenetic scars in regulatory T cells are retained after successful treatment of chronic hepatitis C with direct-acting antivirals
그림 설명
[그림1] 만성 C형 간염 환자의 항바이러스제 약물치료 이후에도 조절 T세포에 염증성 흔적이 남는다는 연구 결과
만성 C형 간염 환자의 말초 혈액에서 조절 T세포의 수적 증가가 나타난다. 이러한 증가는 치료 이후에도 지속됨을 확인하였다. 조절 T세포는 만성 C형 간염 환자의 전사체와 후성유전체에서 정상인 대비 증가된 염증성 특성을 가지는 것으로 확인됐다. 이러한 변화는 치료 이후에도 유지됐다. 유전체적 변화로 인하여 만성 C형 간염 환자의 조절 T세포는 염증성 사이토카인인 TNF를 분비할 수 있게 된다.
2024.07.09
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자기장으로 뇌 자극해 행동·감정 조절에 성공
자기장으로 뇌 자극해 행동·감정 조절에 성공
- IBS 나노의학 연구단, 무선으로 뇌 회로 제어하는 나노-MIND 기술 개발 -
- 감정, 사회성, 식욕 조절 가능성 동물실험서 검증…차세대 BCI 등 응용 기대 -
자기장으로 뇌 회로를 조절해 행동·감정의 비밀을 밝혔다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 천진우 단장 (연세대 언더우드 특훈교수) 및 곽민석, 이재현
연구위원 (연세대 고등과학원 교수) 연구팀은 인지 및 사회성 연구단(단장 이창준)과 협업하여, 자기장을 통해 특정 뇌 신경회로를 무선 및 원격으로 정밀 제어하는
나노-MIND (Magnetogenetic Interface for NeuroDynamics) 기술을 세계 최초로 개발 했다.
인간의 뇌는 약 1,000억 개 이상의 뇌 신경세포(뉴런)와 여러 가지 뉴런으로 구성된 더 많은 수의 뇌 회로로 이루어져 있다. 이 중 특정 뇌 회로를 제어하는 것 은 인지, 감정, 사회적
행동 등 고차원적 뇌 기능의 원리를 규명하거나 각종 뇌 질환의 원인을 알아내는 데 필수적 이다. 이뿐만 아니라 일론 머스크가 이끄는 뉴럴링크(Neuralink)에서 보듯 생각만으로 외부기기를
제어하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 1) 발전에도 꼭 필요하다. 궁극적으로 BCI는 뇌와 컴퓨터 간 양방향 무선 통신을 실현해, 기기 제어뿐만
아니라 컴퓨터 정보를 습득해 뇌 능력을 향상하는 것이 목표이기 때문이다.
한편 자기장은 생체 투과율과 안전성이 뛰어나 MRI에서처럼 생체 신호를 읽어내 질병을 진단하는 중요한 수단이다. 하지만 자기장으로 특정 생체 신호를 조절하거나 뇌 회로를 정밀하게 제어하는 것은 과학계의
난제였다.
연구진은 자기장을 이용한 차세대 자기유전학(magnetogenetics) 2) 나노-MIND 기술로 특정 뇌 회로를 자유자재로 제어해
동물의 감정, 사회성, 동기부여 등 고차원적인 뇌 기능을 조절하는 데 성공 했다. 이 기술은 자기장과 자성을 띠는 나노입자를 이용해서 원하는 뇌 회로를 선택적으로 활성화할 수 있다. 핵심은
원하는 뇌 회로에 나노-자기수용체 (nano-magnetoreceptor) 3) 를 생성시키고, 원하는 시점에 회전자기장 자극을 줘
뇌 회로의 시공간적 제어가 가능 하다는 점이다.
우선, 나노-MIND 기술로 모성애를 담당하는 전시각중추 (medial preoptic area, MPOA) 4) 의 억제성
가바 (GABA) 5) 뇌 회로를 선택적으로 활성화해 감정 및 사회성 조절 이 가능함을 보여줬다. 모성애를 조절하는 뇌 회로가
활성화된 쥐는, 어미 쥐가 아님에도 불구하고 어린 쥐를 자신의 둥지로 데려오는 등 어린 쥐에 대한 돌봄 행동이 크게 촉진됐다.
또한, 음식 섭취는 외측 시상하부 (lateral hypothalamus) 6) 의 동기부여 뇌 회로를 활성화해 조절 할 수
있었다. 나노-MIND 기술로 동기부여 회로의 억제성 뉴런을 활성화한 쥐는 식욕과 섭식 행동이 100% 증가했다. 반대로 흥분성 뉴런을 활성화할 경우 쥐의 식욕과 섭식 행동이 절반 이하로 감소했다.
이번 연구는 나노-MIND 기술로 원하는 뇌 회로를 선택적으로 활성화해 고차원적 뇌 기능을 양방향으로 조절 가능함 을 나타내며, 다양한 종류의 뇌 회로에도 적용 가능한 기술 임을
보여준다.
천진우 단장은 나노-MIND 기술에 대해“ 자기장으로 특정 뇌 회로를 자유자재로 조절한 경우는 세계 최초 로 뇌과학의 차세대 플랫폼 기술이 될 것”이라며, “ 뇌 회로의 기능 및 작동 원리
규명, 정교한 인공신경망 및 양방향 BCI 기술 개발, 뇌 신경질환의 새로운 치료법 개발 등 광범위하게 활용될 것으로 기대 된다”고 평가했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 38.1)'에 7월 3일(한국시간) 게재됐다.
그림 설명
[그림1] 나노-MIND
기술 개요. 특정 뉴런 및 뇌 회로 선택적 제어에 의한 고차원적 뇌 기능 조절
나노-MIND 기술로 특정 뉴런과 뇌 회로를 선택적으로 제어해 동물의 감정, 사회성, 생존 욕구 등 고차원적 뇌 기능을 자유자재로 조절할 수 있다. 이를 통해 다양한 뇌 회로의 역할과 작동 원리를
알아내어, 뇌과학 연구에 필수적이고도 더 나은 인공신경망 구축을 통해 AI 기술 발전에 활용될 수 있다.
[그림2] 나노-MIND 기술을 통한 특정 뉴런 및 뇌 회로 활성화
위) 1. Cre-loxP 유전공학 기술이 적용된 쥐 모델에서 원하는 타겟 뉴런에만 선택적으로 나노-자기수용체 발현. 2. 회전자기장 자극을 주었을 때, 타겟 뉴런의 나노-자기수용체가 활성화됨. 3. 타겟
뉴런이 관여하는 뇌 회로가 선택적으로 활성화되고 제어됨.
아래) 외측 시상하부의 나노-자기수용체 발현 모습 및 타겟 뉴런 활성화 모습. 나노-자기수용체(초록색)는 타겟 뉴런(빨간색)에만 선택적으로 발현하고 자기장 신호에 의해 활성도가 증가함
[그림3] 나노-MIND를 활용한 사회성 및 감정 담당 뇌 회로 조절 실험
1. 전시각중추(MPOA)의 억제성 뉴런에만 생성된 나노-자기수용체는 자기장 신호에 의해 MPOA의 억제성 뇌 회로를 선택적으로 활성화함. 이를 통해 모성애 및 부모 행동을 담당하는 뇌 회로 조절이
가능함.
2. 자기장 자극이 가해지면 나노-자기수용체가 주입된 암컷 쥐는 어미 쥐가 아님에도 불구하고 모성애가 증가해 새끼 쥐를 찾아 자신의 둥지로 구조함. 그에 반해 대조군 암컷 쥐는 새끼 쥐에 대한 관심을
보이지 않음.
3. 나노-MIND 기술이 적용된 암컷 쥐에게서만 자기장 자극으로 모성애 담당 뇌 회로가 활성화돼 새끼 쥐를 모두 구조했으며 일반 쥐보다 돌봄 시간이 4배 이상 증가함.
[그림4] 나노-MIND를 활용한 동기부여 조절 뇌 회로의 양방향 조절
1. 외측 시상하부(lateral hypothalamus, LH)의 흥분성 또는 억제성 뉴런에 선택적으로 발현된 나노-자기수용체를 통해 자기장 자극을 주었을 때, 동기부여 및 식욕을 담당하는 뇌 회로의
양방향 조절이 가능함.
2. 나노-MIND로 LH의 억제성 뉴런이 선택적으로 활성화되면 쥐의 식욕과 섭식 행동이 2배 증가함. 반면, 나노-MIND로 LH의 흥분성 뉴런이 선택적으로 활성화되면 쥐의 식욕과 섭식 행동이 절반
이하로 감소함.
1) 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI): 뇌와 외부 장치 간의 직접적인 상호작용 방식. 인간의 두뇌와 컴퓨터를 직접 연결하여 뇌파를 통해 컴퓨터를 제어하는 인터페이스 기술을 총칭.
2) 자기유전학(magnetogenetics): 자기장에 의한 자기 액추에이터(magnetic actuator)의 기계적 자극으로 세포 수용체 또는 세포 내 신호를 활성화해 세포 기능에 영향을 미치는 의학 연구 기술을 총칭.
3) 나노-자기수용체(nano-magnetoreceptor): 자성 물질을 기반으로 하는 자성 나노입자 및 이와 결합해 힘(torque)으로 열리는 기계적 민감 이온 채널인 자기수용체의 합성어.
4) 전시각중추(medial preoptic area, MPOA): 간뇌와 종뇌의 증식 영역에서 파생된 뇌 부위. 성적(sexual) 행동 및 부모 돌봄(parental) 행동과 같은 선천적 기능을 조절.
5) 억제성 가바(GABA): Gamma-Aminobutyric acid의 약자. 비단백질 아미노산의 일종으로 뇌 신경세포 활성을 억제하는 억제성 신경전달물질.
6) 외측 시상하부(lateral hypothalamus): 생리적 평형을 유지하기 위한 식욕 및 에너지 항상성에 대한 반응을 포함해 생존과 관련된 다양한 생리 기능 조절의 핵심 영역.
2024.07.04
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2037년 기술 전망치 넘어선, 차세대 극소형 반도체 소자 구현
2037년 기술 전망치 넘어선, 차세대 극소형 반도체 소자 구현
- 2차원 반도체 활용해, 균일하고 안정적인 1차원 금속상 최초 규명 -
- 반도체 소자의 초미세화를 앞당길 기술… Nature Nanotechnology 誌 게재 -
국제전기전자기술자협회(IEEE)에서 2037년까지 전망한 반도체 기술 수준을 월등히 넘어서는 극소형 반도체 소자가 구현 됐다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 반데르발스
양자 물질 연구단 조문호 단장 (포스텍 신소재공학과 교수) 연구팀은 원자 크기 수준으로 작은 너비의 1차원 금속 물질 1) 을 2차원
반도체 기술에 적용해 새로운 구조의 극소형 반도체 소자를 구현 했다. 이는 차세대 반도체 기술을 여는 돌파구로, 다양한 저전력 고성능 전자기기 개발의 원천기술이 될 것 으로 기대된다.
최근 반도체 소자 소형화가 물리적 한계에 직면하면서 2차원 반도체를 활용한 연구가 전 세계적인 기초·응용 연구로 주목받고 있다. 2차원 반도체 물질은 극도로 얇은 두께에서도 우수한 반도체 특성을
나타내므로 차세대 반도체 산업의 핵심 소재 로 손꼽힌다. 다만 기술적으로 2차원 반도체 내 전자의 이동을 수 나노미터 이하의 크기인 극한까지 줄일 수 있는 공정 기술은 없어, 이를 집적회로로
확장하는 것은 불가능에 가까웠다.
집적도는 반도체 칩 안에 소자가 얼마나 조밀하게 들어가 있는지를 나타내는 척도이다. 집적도가 높을수록 공정 단가가 낮아지고 더 많은 데이터를 빠르게 처리할 수 있어 칩을 구성하는 소자의 크기는 점점
작아져야 한다. 기존 반도체 공정은 실리콘칩 표면에 원하는 패턴을 빛으로 그리는 리소그래피 2) 공정을 통해 집적도를 결정한다. 이는 빛의 파장
크기로 미세하게 그릴 수는 있지만, 원자 크기 정도의 극한으로 줄이는 것은 기술적으로 불가능에 가깝기에 차세대 반도체 공정에서 리소그래피의 한계를 극복할 수 있는 새로운 기술이 필요했다.
IBS 연구팀은 이러한 기술적 난제를 해결하기 위해 2차원 반도체 인 이황화몰리브덴 3) (MoS 2 )의 거울 쌍정
경계 4) 가 폭이 0.4 nm에 불과한 1차원 금속임에 영감을 얻어, 이를 반도체 소자의 게이트 5) 전극으로 활용 했다. 이로써 연구팀은 리소그래피 없이 게이트 길이가 원자 크기 수준인 1차원 금속 기반의 반도체 소자를
구현 했으며, 극소형 반도체 소자가 기반이 되는 논리 회로 구현에도 성공 했다. 이 반도체 소자는 단순한 구조와 좁은 게이트 길이 덕분에 기존 전자 장치의 회로에 존재하는
원치 않는 정전 용량을 최소화해 회로 성능을 크게 향상 시켰다.
연구팀의 성과는 기초물질과학 측면에서도 중요한 의미를 갖는다. 반데르발스 에피 성장법 6) 을 통해 이황화몰리브덴 결정이 만나는 경계면을
원자 하나 수준 크기의 오차도 허용하지 않고 일렬로 정렬 하여 완벽한 직선 형태의 1차원 금속상의 거울 쌍정 경계를 구현 했다. 합성된 1차원 거울 쌍정 경계는 수십 마이크로미터
규모 이며, 이것이 균일하고 안정적인 1차원 금속상임을 최초로 규명 했다.
국제전기전자기술자협회(IEEE)에서 보고하는 국제 디바이스 시스템(IRDS) 로드맵에서는 집적도 측면에서 2037년까지 0.5nm 수준의 반도체 기술을 전망하며 12nm 이하의 트랜지스터 게이트 길이를
요구한다. 이번 연구 성과는 1차원 거울 쌍정 경계로 인해 변조되는 채널 영역이 약 3.9nm인 것을 입증해 실직적인 게이트 길이가 수 nm 수준임을 확인 했다. 이는 산업 기술적 전망치를
월등히 넘어선 결과이며, 반도체 소자의 초미세화를 앞당길 핵심 기술 이 될 수 있다.
연구를 이끈 조문호 연구단장은 “반데르발스 에피 성장으로 구현한 1차원 금속상은 새로운 물질 공정으로서 초미세 반도체 공정에 적용되어 향후 다양한 저전력 고성능 전자기기 개발의 원천기술이 될 것으로
기대된다.”라고 언급했다.
이번 연구는 세계적 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=38.1) 誌에 7월 3일 게재됐다.
그림 설명
[그림1]
1차원 거울 쌍정 경계의 성장 및 이를 기반으로 한 대면적 2차원 반도체집적회로 모식도
반데르발스 에피 성장을 통한 금속성의 1차원 거울 쌍정 경계의 합성(위)과 이를 기반으로 구축된 2차원 반도체 집적회로(아래)를 묘사한 그림. 이황화몰리브덴의 결정구조를 반데르발스 에피 성장으로 원자
수준에서 제어하여 대면적에서 금속성의 1차원 거울 쌍정 경계를 원하는 곳에 자유자재로 디자인했고, 이를 게이트 전극으로 응용하여 게이트 길이가 원자 크기 수준인 극소형 2차원 반도체 트랜지스터와 이들의
집적회로를 구현하였다.
[그림 2] 1차원 거울 쌍정 경계 게이트를 활용한 극소형 트랜지스터와 이들의 집적회로
1차원 거울 쌍정 경계 게이트 기반의 집적회로의 광학 현미경 이미지(왼쪽), 이를 구성하는 극소형 트랜지스터와 인버터 소자 모식도(가운데), 그리고 이들의 특성 평가(오른쪽). 연구진이 개발한 1차원 거울
경계 공정이 단일 소자의 소형화에만 국한되지 않고, 대면적 고집적의 전자회로를 구축하는 데 성공적으로 활용되었다.
1) 1차원 금속: 전자가 1차원 공간 내에서 움직일 수 있는 전도 경로를 가진 금속으로, 전자의 운동이 1차원적인 공간에서 제한된다는 물리적 특성을 갖는다.
2) 리소그래피: 집적회로 제작 시 실리콘칩 표면에 만들고자 하는 패턴을 빛으로 촬영한 수지를 칩 표면에 고정한 후 화학 처리나 확산 처리하는 기술
3) 이황화몰리브덴: 몰리브덴(Mo) 원자 하나에 황(S) 원자가 두 개 붙어 있는 층상 구조를 가지는 화합물로, 단일층에서 1.8 eV 정도의 밴드갭 에너지를 가진다.
4) 거울 쌍정 경계(mirror twin boundary, MTB): 서로 거울 대칭인 두 결정립이 만나 형성되는 결정립계를 의미한다. 거울 쌍정 경계를 기준으로 한쪽 영역의 원자 배열이 다른 쪽 영역의 원자 배열과 거울상을 이룬다.
5) 게이트: 게이트는 전압을 인가하여 반도체 채널의 전자 밀도를 조절함으로써 전류의 흐름을 효과적으로 스위칭하거나 증폭하는 역할을 하는 핵심 전극이다.
6) 반데르발스 에피 성장법: 성장 물질이 기판의 결정 방향을 따라 기판과 반데르발스 힘으로 결합되면서 성장하는 방법이다. 이를 통해 사파이어 기판상에서 서로 거울 대칭인 이황화몰리브덴 결정을 성장시킬 수 있다.
2024.07.03
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스티커처럼 떼어내 간단히 옮기는 새로운 전사 기술
스티커처럼 떼어내 간단히 옮기는 새로운 전사 기술
- 소자 손상‧독성 물질 사용 없이 기판에서 분리 … 소요 시간도 대폭 감소 -
- 3차원 고성능 유연 소자 제작도 가능 … Nature Materials 誌 게재 -
스티커를 떼어내듯 고성능 전자 소자를 기판에서 손상 없이 분리하는 새로운 전사 기술 이 개발됐다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단 김대형 부연구단장 (서울대 화학생물공학부 교수) 과 이상규 책임연구원 연구팀 은 김지훈 부산대 교수팀과 공동으로 무손상 건식 전사 기술을 개발 했다. 전사에 필요한 시간과 비용을 대폭 줄일 수 있어 고성능 전자기기 제작에 널리 응용될 것으로 기대된다.
고성능 소자는 주로 고온에서도 안정적으로 작동하는 딱딱한 기판에서 제작된다. 유연 전자기기를 만들려면 딱딱한 기판 위의 소자를 분리해 유연한 기판으로 옮기는 전사 공정이 필수다.
기존 전사 공정은 기판과 소자 사이에 존재하는 층(희생층)을 화학물질을 이용해 제거하는 방식이었다. 강력하고 유독한 화학물질을 사용하기 때문에 작업자나 환경에 좋지 않고, 소자 손상을 피하기도 어려웠다. 이를 해결하기 위해 물에서 소자를 떼어내거나 레이저‧열을 이용하는 방법 등이 개발됐지만, 여전히 고가의 장비나 별도의 후처리가 필요하고 특정 환경에서만 적용 가능하다는 한계가 있었다.
IBS 연구진은 기판 자체의 물성을 제어해 습식 화학물질이나 소자 손상 없이 소자를 손쉽게 떼어낼 수 있는 ‘무손상 건식 전사’ 방법을 개발 했다. 우선 연구진은 서로 다른 응력(외력을 가할 때 변형된 물체 내부에서 발생하는 힘)을 가진 박막을 두 층으로 쌓아 올린 기판을 제작했다. 그 후 기판을 구부려 박막의 변형 에너지 방출률 1) 을 최대화했다. 변형 에너지 방출률이 소자와 기판 사이의 계면 강도를 초과하면 박리가 쉽게 일어난다.
이렇게 제작한 기판 위에 소자를 제작한 뒤 스탬프(도장)를 찍고, 기판을 구부리며 스탬프를 들어 올리면 소자가 기판으로부터 간단히 분리된다. 떼어낸 소자를 원하는 기판에 옮기면 전사가 완료된다.
공동 제1저자인 신윤수 선임연구원은 “우리 연구진이 제시한 전사 방법은 독성 물질을 사용하지 않으며, 소자 손상이 적고 후처리도 필요 없어 전사 시간이 짧다는 장점이 있다”며 “대면적은 물론 마이크로 규모의 작은 패턴까지 전사가 가능해 활용 가능성이 크다”고 설명했다.
또한, 연구진은 다양한 패턴의 2차원 박막을 3차원 구조체로 변형시킬 수 있음 을 보여주었다. 떼어낸 소자를 옮겨 붙일 기판의 접착층 패턴에 따라 3차원 구조로 바뀔 수 있는데, 이를 이용하면 필요에 따라 다양한 구조로 만들 수 있다.
공동교신저자인 이상규 박사는 “기존 연구들과 달리 재료의 물성만을 제어하여 무손상 건식 전사 프린팅 기술을 개발 했다는 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “2차원 박막을 3차원 구조체로 변형시킬 수 있는 특징을 활용해 입체 구조를 갖는 다양한 소자 제조에 관한 후속 연구 를 진행할 계획”이라고 말했다.
연구를 이끈 김대형 부연구단장은 “전사 기술은 연성 전자, 광전자, 바이오 전자 및 에너지 소자를 포함한 많은 분야에 적용된다”며 “무손상 건식 전사 기술은 새로운 고성능 전자 소자 제작에 큰 도움이 될 것 으로 기대한다”라고 말했다.
연구 결과는 6월 21일 세계 최고 학술지인 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF 41.2)’온라인판에 실렸다.
그림 설명
[그림1] 응력 제어를 이용한 무손상 건식 전사 프린팅 기술 개념
스퍼터링된 원자가 기판에 증착될 때, 증착된 필름 내에 잔류 응력이 생성되며, 공정 조건에 따라 응력의 종류와 크기가 변할 수 있다. 백금 박막을 형성할 때, 첫 번째 층은 적당한 수준의 압축 또는 인장 응력을 갖게 하고, 두 번째 층은 강한 인장 응력을 가지도록 하면 수직 방향으로 인장 응력 구배가 극대화된다. 추가로 기판을 구부리면 평균 응력이 증가하여 박막을 기판으로부터 쉽게 분리할 수 있다.
[그림2] 다양한 2차원 박막의 3차원 구조로의 변환
응력이 제어된 백금 이중층 박막을 스탬프를 이용해 기판에서 분리한 후 접착층에 전사 프린팅하면 3차원 구조물을 만들 수 있다. 또한, 접착층의 패턴에 따라 다양한 3차원 구조물로 변형할 수 있어, 개발된 무손상 건식 전사 프린팅 기술은 2차원 형태뿐만 아니라 3차원 형태의 다기능성 소자 제조에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
[그림3] 전사된 LiCoO 2 박막을 이용한 유연 박막 전지 제조 백금 박막은 박막 전지의 집전체로 활용될 수 있으며, 개발된 무손상 건식 전사 프린팅 기술을 이용하여 유연 박막 전지의 제조가 가능하다. 먼저, 백금 이중층 박막을 형성하고 그 위에 양극 소재인 LiCoO 2 박막을 증착한다. 고온 열처리 후, 전사 공정을 통해 이를 PET 유연 기판에 전사하고, 고체 전해질, 음극, 음극 집전체를 차례로 증착하면 유연 박막 전지가 완성된다.
1) 변형 에너지 방출률(Strain energy release rate): 박리 과정에서 균열이 성장하는 동안 단위 면적당 방출되는 에너지의 양. 변형 에너지 방출률이 계면 파괴 인성(interfacial fracture toughness)을 초과하면 박막이 기판에서 쉽게 분리된다.
2024.06.25
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우리 아이 뇌는 어떻게 성장할까? 두뇌 발달의 ‘열쇠’ 찾았다
우리 아이 뇌는 어떻게 성장할까? 두뇌 발달의 ‘열쇠’ 찾았다
- 시상-대뇌피질 연결성이 두뇌 발달에 미치는 영향 최초 규명 -
- 뇌 기능 발달 부진으로 인한 자폐, 조현병 등 다양한 뇌 질환 기전 이해 기대 -
기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단 홍석준 참여교수 (성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀 은 뇌의 외적 정보처리와 내적
정보처리를 담당하는 대규모 기능적 전뇌 네트워크 (functional brain network) 1) 들이 형성되는
과정을 아이들의 뇌 영상을 성장 시기별로 분석해 최초로 밝혀냈다.
외적 정보처리와 내적 정보처리는 뇌 기능의 아주 근본적인 원리 이다. 외부 세계로부터 쏟아져 들어오는 시각적 정보(텍스트)를 처리하는 ‘외부수용’ 기능과, 이 정보를 기반으로 외부
세계에 대한 인과관계를 더 깊이 이해(의도파악 등)하는 ‘내부모델링’ 기능이 바로 그것이다. 이는 인간을 포함한 고등영장류가 변화하는 환경 속에서도 적절히 대응하고 생존하도록 도와주는 핵심적인
인지 역량이다. 두 정보처리를 담당하는 대규모 기능적 전뇌 네트워크들은 대뇌피질에 포함되는데, 이는 뇌 발달과 밀접한 관련 이 있다.
특히, 뇌의 발달 과정에서 시상(thalamus) 2) 과 대뇌피질(cerebral cortex) 3) 간 연결성은 뇌 기능 분화에 핵심적인 역할 을 한다. 시상은 주로 외부 감각 정보를 처리하는 중계 역할을 하는데,
최근 연구에서는 내부모델링과 같은 상위인지기능에도 영향을 미친다고 밝혀졌다.
이에 연구진은 뇌의 발달 과정에서 시상이 대뇌피질의 기능적 세분화에 미치는 영향, 즉 외부 네트워크와 내부 네트워크에 어떤 영향을 미치는지 조사했다. 우선, 유아기부터 성인기에 걸친
다양한 연령대의 뇌 영상 데이터에 최신 뇌 영상 분석기법을 적용해 시상-대뇌피질 연결성이 나이에 따라 어떻게 변화하는지 추적 관찰했다. 또한, 유전체 분석으로 시상-대뇌피질 연결성이 뇌 발달에
관여하는 유전자의 발현과 관련 있는지 살폈다.
그 결과, 시상-대뇌피질 연결성은 뇌 발달 초기 단계와 이후 단계에서 다른 역할을 한다 는 점을 알아냈다. 유아기에는 시상과 감각 정보를 전달하는 대뇌피질 영역(감각 운동
네트워크) 간 연결성이 뚜렷 하고 뇌 발달과 관련된 유전자가 발현됐다. 하지만 성인기로 넘어가면서 현저성 네트워크(salience network) 4) 와의 연결성이 주축 이 돼 외부수용성과 내부모델링 시스템이 분리됐다. 이는 구분된 각 시스템이 서로 명확히
다른 역할을 수행하게 되어 기능적 세분화가 일어났다는 의미이다.
또한, 연구진은 발달 시뮬레이션으로 시상-대뇌피질 연결성과 기능적 전뇌 네트워크 형성 간 인과관계에 대한 가설을 검증 했다. 시뮬레이션하는 동안 시상-대뇌피질 연결 규칙(wiring
rule)을 임의로 교란(조절)하니 내·외부 네트워크 간 분리가 이루어지지 않았으며, 이는 횡·종단적 데이터 분석에서도 확인 가능함을 함축적으로 의미한다.
동시에 인과관계를 나타내는 뇌 발달 곡선도 추적 조사 했다. 성숙한 두뇌의 주요 특징은 기능적 분리와 감각-연합 축(sensory-association axis) 5) 의 발달인데,
시상-대뇌피질 연결성이 이에 기여함을 알아냈다. 그중에서도 특히 12~18세 사이 에 크게 기여해, 두뇌 발달에 어느 시기가 가장 중요 한지를 밝혔다.
이번 연구는 시상-대뇌피질 연결성이 내·외적 정보처리 과정을 담당하는 기능적 전뇌 네트워크의 초기 형성과 발달에 기초 틀을 제공 한다는 것을 처음 밝혔다. 이는 뇌 발달에 대한 이해를
높이고, 대뇌피질의 기능적 세분화가 뇌 질환과 어떻게 연결되는지에 대한 중요한 단서를 제공한다.
홍석준 교수는 “태아의 뇌가 형성될 때 시상이 중요한 역할을 한다고 알려져 있었지만, 태어난 이후에도 기능적 전뇌 네트워크의 발달에 영향을 미침 을 밝혀냈다”며, “이를 통해
내·외적 시스템 발달 부진으로 나타나는 자폐, 조현병 등 다양한 뇌 질환의 기전을 이해하는 데 기여할 것으로 기대 된다”고 말했다.
연구결과는 국제학술지 ‘네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience)’ 온라인판에 6월 10일 게재됐다.
그림 설명
[그림
1] 시상 연결지도와 신피질 투사지도
시상 연결지도와 신피질 투사지도로 뇌 발달 단계에 따른 연결성의 변화를 보여준다. (a)에서는 유아기(29~44주)의 시상 연결지도 1, 2와 신피질 투사지도 1, 2가 감각 운동 네트워크의
초기 분화를 나타낸다. (b)에서는 어린이와 성인 초기(8~22세)의 지도를 보여주며, 현저성 네트워크(salience network)와의 연결성 확립 및 외부지향 시스템과 내부지향 시스템 간의
구분을 보여준다. 이는 각 신피질 투사지도의 파란색 영역의 위치에서 확인할 수 있는데 지도 1의 경우 외부지향 네트워크를, 지도 1의 경우 내부지향 네트워크를 나타낸다. 각 신피질 투사지도 옆
상자 그림에서는 대뇌피질을 7개의 주요 기능적 네트워크로 구분한 뇌 지도인 ‘Yeo-Krienan 7 네트워크 아틀라스’를 기반으로 신피질 투사지도의 값을 정렬했다. (c)에서는 어린이와
청소년기의 신피질 투사지도에서 도출된 내외부 축의 구분을 도식화해 현저성 네트워크의 중요한 역할을 보여준다.
[그림 2] 발달 시뮬레이션 기반 네트워크 모델의 교란
(a) 발달 연령에 따라 변화하는 시상-현저성 네트워크 연결성 규칙을 기반으로 한 발달 시뮬레이션 모델을 보여준다. 네 가지 교란 모델을 테스트했는데 이는 각각 8~12세, 12~18세, 18~22세 및 모든 연령 그룹의 연결 규칙에 교란을 적용한 모델로, 교란이 없는 모델과 비교했다.
(b) 각 모델의 시뮬레이션 결과에 대한 분리 지수(현저성-외부, 현저성-내부)를 계산했으며, 교란이 없는 모델과 비교한 차이를 백분율로 표시했다.
(c) 각 모델의 시뮬레이션 결과에서 추출한 대뇌피질 그라디언트(gradient)는 이러한 교란이 뇌 연결성 발달에 미치는 영향을 보여준다.
[동영상 1] 발달 단계에 따른 신피질 투사지도의 변화 영상(29~44주, 8~22세) 이 영상은 나이에 따른 그라디언트(gradient)의 발달을 보여준다. 29~44주와 8~22세 동안의 신피질 투사지도의 변화를 시각적으로 나타내며, 나이에 따라 신피질 영역화가 어떻게 발달하는지를 보여준다. 이는 뇌 발달 연구에 중요한 통찰을 제공하고 시상-대뇌피질 연결성의 기능적 변화와 세분화를 이해하는 데 기여한다.
1) 기능적 전뇌 네트워크(functional brain network): 뇌의 여러 영역이 상호작용해 특정 작업이나 상태를 유지하는 시스템으로, 신경 활동의 동시성이나 상관관계를 통해 식별된다.
2) 시상(thalamus): 뇌의 중심부에 있는 구조로, 다양한 감각 정보를 대뇌피질로 전달하고 처리하는 중계 역할을 하며, 수면 및 각성 상태의 조절에도 중요한 역할을 한다.
3) 대뇌피질(cerebral cortex): 대뇌의 가장 바깥층을 이루는 얇은 회백질로 인간의 고차원적인 인지 기능, 감각 처리, 운동 조절, 언어, 기억, 감정 등을 담당한다.
4) 현저성 네트워크(salience network): 뇌의 특정 자극이나 사건을 감지하고 이에 주의를 기울이도록 하는 뇌 기능적 네트워크로, 대표적으로 전방섬엽(anterior insula)과 대상회(cingulate gyrus)가 포함된다.
5) 감각-연합 축(sensory-association axis): 다양한 감각 정보를 처리하고 통합해 고차원적인 인지 기능과 연결하는 신경 경로이다. 시각·청각·촉각과 같은 감각 정보는 각각 일차 감각 피질에서 처리된 후 두정엽, 측두엽, 전두엽 등의 연합 영역으로 이뤄진 기능적 네트워크들에 전달된다.
2024.06.19
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통증과 쾌락의 뇌 속 ‘교차점’ 찾았다
통증과 쾌락의 뇌 속 ‘교차점’ 찾았다
- 기능적 자기공명영상으로 통증·쾌락에 모두 반응하는 뇌 영역 확인 -
- 통증-쾌락 간 상호작용 통해 만성통증 환자의 우울 증상 이해 기대 -
기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단 우충완 부연구단장 (성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀 은 서울대학교 최명환 교수 연구팀,
미국 다트머스대학교 토어 웨이거 교수 연구팀과 공동으로 통증과 쾌락의 감정 정보가 뇌에서 어떻게 공통으로 표상되는지 밝혔다.
통증과 쾌락은 부정적·긍정적인 감정의 대표로, 서로 무관해 보이지만 연결돼 있다. 예시로 통증은 쾌락의 수준을 감소시키는 반면 쾌락은 통증의 수준을 감소시킨다. 이러한 상호작용이
일어나는 뇌 영역 후보로 통증과 쾌락에 모두 반응하는 영역이 여럿 제안돼왔다. 다만 기존 연구는 주로 쥐와 같은 소동물 대상으로 이뤄졌으며, 특히 사람을 대상으로 통증과 쾌락을 모두 유발한
연구는 극히 드물었다.
이에 연구팀은 한 개인 내에서 통증과 쾌락이 처리되는 뇌 영역을 확인하고자, MRI 기기 안에서 참가자에게 캡사이신 용액(통증 자극)과 초콜릿 용액(쾌락 자극)을 지속적으로 전달할 수 있는
실험 기기를 개발 했다. 참가자가 MRI 기기 안에서 통증과 쾌락을 경험하는 동안 기능적 자기공명영상(functional MRI, fMRI)으로 뇌의 활동 패턴을 기록했다. 동시에
참가자는 각 경험에 대한 불쾌함·유쾌함의 정도를 점수로 계속 보고했다. 자극이 전달되면 참가자의 감정 점수는 높아져 일정 수준을 유지했다가, 자극 전달이 끝나면 서서히 낮아지는 형태를 띠었다.
연구팀은 참가자 58명의 영상 데이터에 기계학습 알고리즘을 적용해 뇌의 어떤 영역이 통증과 쾌락에 반응하는지 확인 했다. 유의미한 반응을 보이는 뇌 영역 중 두 가지 경험에 모두
반응하는 뇌 속 공통 영역을 찾아냈다. 통증과 쾌락에 모두 반응하는 공통 영역은 뇌섬엽, 편도체, 전전두엽 피질 등 여러 개이며, 이곳에서 통증과 쾌락의 감정 정보를 공통으로
표상한다는 점을 확인했다.
더 나아가 여러 공통 영역의 뇌 활동 패턴을 분석해 변화하는 유쾌·불쾌 감정 점수를 예측하는 두 가지 모델 을 개발했다. 각 예측모델은 감정의 부호 (affective
valence; 유쾌, 불쾌) 와 감정의 강도 (affective intensity; 강함, 약함) 를 예측 하는데, 이들은 통증과 쾌락 간 상호작용을 나타내는
정보 다. 두 예측모델은 새로운 참가자 61명의 fMRI 데이터에서도 감정의 부호와 강도를 모두 성공적으로 예측했다.
감정의 부호와 강도를 예측하는 뇌 활동 패턴은 공통 영역 상에서도 공간적으로 구별됐으며, 각 활동 패턴은 서로 다른 뇌 기능적 네트워크 1) (functional networks)와 연결돼 있었다. 이는 우리 뇌가 통증과 쾌락 간 상호작용을 다양한 정보로
처리함 을 의미한다.
제1저자인 이수안 IBS 뇌과학 이미징 연구단 연구원은 “이번 연구는 통증과 쾌락이 불쾌함·유쾌함의 감정 정보를 통해 서로 영향을 미친다 는 것을 보여준다”며, “감정 정보가 단일 뇌
영역보다는 여러 뇌 영역에 걸쳐 표상 될 수 있음에 주목해야 한다”고 말했다.
우충완 부연구단장은 “통증과 쾌락에 관한 개별 연구는 있었지만, 한 개인 내에서 통증과 쾌락을 모두 유발해 비교한 연구 는 거의 이루어지지 않았다”며, “통증과 쾌락 간 상호작용을 통해
만성통증 환자에게 나타나는 우울 증상의 뇌 기전을 이해하는 데 기여 할 것으로 기대된다”고 전했다.
연구결과는 국제학술지 ‘미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)’ 온라인판에 6월 11일 실렸다.
그림 설명
[그림1] 통증과 쾌락의 감정 정보 예측에 중요한 뇌 영역들
통증과 쾌락에 공통으로 반응하는 뇌 영역. 특히 감정의 부호와 감정의 강도를 예측하는 뇌 활동 패턴에 중요한 뇌 영역들이 표시됐다. 감정의 강도를 예측하는 데는 앞쪽 복측 뇌섬엽(ventral
anterior insula)과 편도체(amygdala)의 오른쪽 복측(right ventral), 왼쪽 배측(left dorsal) 영역이, 감정의 부호를 예측하는 데는 편도체의 왼쪽 중심
내측(left centromedial)과 오른쪽 표면측(right superficial) 영역, 복내측 전전두엽피질(ventromedial prefrontal cortex)이 각각 중요한 역할을
하는 것으로 나타났다.
[그림2] 감정의 부호 및 강도와 연결된 뇌 기능적 네트워크
감정의 부호는 변연계(limbic) 및 디폴트모드(default) 네트워크가, 감정의 강도는 복측 주의(ventral attention) 네트워크가 연결돼 있다. 오른쪽 그림은 7개의 뇌 기능적
네트워크가 각각 감정의 부호 및 강도와 연결된 비율을 나타낸다.
1) 뇌 기능적 네트워크: 특정 인지 기능을 담당하는 서로 연결된 여러 뇌 영역의 집합체
2024.06.12
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하늘 위의 포식자, 독수리 눈 닮은 카메라 개발
하늘 위의 포식자, 독수리 눈 닮은 카메라 개발
- 조류 눈 구조 모방해 3.6배 더 민첩하게 움직임 감지하는 카메라 개발 -
- 물체 감지 필요한 무인 로봇‧드론에 적용 기대…Science Robotic 誌 게재 -
수 ㎞ 떨어진 곳에서 움직이는 먹잇감을 포착하는 독수리의 눈을 닮은 새로운 카메라 나왔다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단 김대형 부연구단장 (서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 송영민 광주과학기술원(GIST) 교수팀과 공동으로 새 눈의 구조와 기능을 모방한 물체 감지 특화 카메라를 개발 했다.
동물의 눈은 서식지와 생존환경에 맞게 최적화돼 있다. 독수리와 같은 조류의 눈은 높은 나무 위에서 서식하는 생존환경에 맞춰 망막에 깊고 좁은 모양의 중심와 1) 가 존재 하도록 진화했다. 깊고 좁은 중심와는 멀리 있는 물체를 확대해 보기 유리 하게 만든다.
새 눈의 중심와에는 색을 감지하는 원추세포가 높은 밀도로 분포되어 있어 물체를 더욱 선명하게 인지 할 수 있다. 사람의 눈은 가시광선(적색, 녹색, 청색)만 감지할 수 있는 반면, 새의 눈은 자외선도 감지할 수 있다. 덕분에 새는 사람이 보지 못하는 시각 정보를 얻을 수 있으며, 복잡하고 역동적인 환경에서도 물체를 효율적으로 인식할 수 있다.
IBS 연구팀은 새 눈의 구조와 기능에서 영감 을 받아 물체 감지에 특화된 새로운 카메라를 설계 했다. 개발된 카메라는 인공 중심와와 가시광선 및 자외선 감지가 가능한 다중 파장 이미지 센서(Multispectral image sensor)로 구성된다. 우선, 송영민 GIST 교수팀과의 협업을 통해 새의 중심와 구조를 모방한 인공 중심와를 제작했다. 광학 시뮬레이션을 통해 이미지 왜곡 없이 멀리 있는 물체를 확대할 수 있는 최적의 디자인을 고안했다.
이후 우수한 전기적‧광학적 특성을 가진 페로브스카이트 2) 물질을 활용해 다중 파장 이미지 센서를 제작했다. 서로 다른 파장 영역을 흡수하는 4종류의 페로브스카이트 물질을 사용해 광센서를 제작한 뒤, 이를 수직으로 쌓아 올려 색 필터 없이 색을 구분할 수 있는 센서를 구현 했다.
공동 제1저자인 박진홍 IBS 나노입자 연구단 연구원은 “우리 연구진은 다중 파장 이미지 센서 제작을 위한 전사 (Transfer) 공정도 새롭게 개발 했다”며 “선행 연구에서 개발한 페로브스카이트 패터닝 기술과 결합해 필터 없이 가시광선뿐 아니라 자외선까지 감지가 가능한 센서를 완성할 수 있었다”고 설명했다.
줌 렌즈를 사용해 물체를 확대하는 기존 카메라는 확대된 물체의 주변부는 인지할 수 없다는 단점이 있다. 반면, 연구진이 제작한 물체 감지 특화 카메라는 시야의 중앙부에서는 물체를 확대하면서 주변부 시야도 제공 한다. 덕분에 두 시야의 차이를 바탕으로 물체의 움직임을 더 민감하게 감지 할 수 있다. 또한, 필터 없이 가시광선 및 자외선을 구분해 감지하기 때문에 시각 정보가 다양해지고, 공정비용과 무게가 절감되는 장점 도 있다.
연구진은 시뮬레이션을 통해 개발한 카메라의 물체 인지 및 움직임 감지 능력을 확인했다. 물체 인지 능력 측면에서 새로운 카메라(신뢰 점수 0.76)는 기존 카메라 시스템(신뢰 점수 0.39)보다 약 2배 높은 신뢰 점수 를 나타냈다. 움직임의 변화율도 기존 카메라 시스템 대비 3.6배 증가 하여 더욱 민감하게 움직임을 감지할 수 있음을 확인했다.
연구를 이끈 김대형 부연구단장은 “새의 눈은 높은 곳에서 비행하는 과정에서도 멀리 있는 물체를 빠르고 정확하게 인식하기 유리한 구조로 진화했다”라며 “우리 연구진이 개발한 카메라는 물체 감지 능력이 필요한 무인 로봇, 자율 주행차 등에 응용 할 수 있으며 특히 새와 유사한 환경에서 작동하는 드론에서 장착 효과가 클 것 으로 기대한다”라고 말했다.
연구 결과는 5월 30일 (한국시간) 로보틱스 분야 세계 최고 학술지인‘ 사이언스 로보틱스 (Science Robotics, IF 25.0)’온라인 판에 실렸다.
그림 설명
[그림 1] 새 눈의 구조와 특징
새 눈은 깊고 좁은 모양의 중심와를 가지고 있으며, 눈으로 들어온 빛은 중심와에서 굴절된다. 이로 인해 확대된 상이 망막에 맺혀 물체가 확대되어 보인다. 또한 중심와 아래에는 높은 밀도로 분포된 원추세포가 존재하여 멀리 있는 물체를 선명하게 인식할 수 있다. 새 눈의 원추세포는 네 종류로 적색, 녹색, 청색 및 자외선을 감지할 수 있으며 이를 바탕으로 복잡한 환경에서 물체를 더욱 효과적으로 인식할 수 있다.
[그림 2] 연구진이 개발한 새 눈을 모방한 카메라의 모식도 및 측정 결과
연구진이 개발한 물체 감지에 특화된 카메라는 인공 중심와와 다중 파장 이미지 센서로 구성되어 있으며, 멀리 있는 물체를 선명하게 감지할 수 있으며 색 또한 구분하여 인식할 수 있다.
[그림 3] 물체 감지 특화 카메라의 특징 및 응용
높은 곳에서 생활하는 새의 눈은 물체를 빠르고 정확하게 인식할 수 있도록 진화했다(a). 새 눈 구조를 모방해 개발한 새로운 카메라는 새와 유사한 환경에서 동작하는 드론 등에 응용될 것으로 기대된다(b).
[그림 4] 기존 카메라 시스템과의 성능 비교
기존 카메라 시스템(왼쪽)에 비해 물체 감지 특화 카메라(오른쪽)는 중심와 시야 물체를 확대하여 물체 인식률이 우수하다(위). 또한, 중앙부와 주변부 영역의 시야 차이를 이용해 물체의 움직임 변화를 더 잘 포착한다(아래).
▲ 유튜브 보러가기
1) 심와(Fovea): 중심와는 망막에 존재하는 작은 함몰 부위를 말하며 사람의 눈에도 존재한다. 하지만 새의 눈에 존재하는 중심와와는 달리 넓고 얕은 모양이기 때문에 빛이 거의 굴절되지 않아 물체가 확대되지 않는다.
2) 페로브스카이트(Perovskite): 크기가 다른 양이온(A, B)과 음이온(X)으로 구성된 ABX3의 결정 구조를 갖는 화합물로 높은 전하 이동 능력과 빛 흡수성으로 광 변환효율이 높아 차세대 광반도체로 주목받는다.
2024.05.30
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알아서 척척, 동물 행동 읽어내는 인공지능(AI) 프레임워크 개발
알아서 척척, 동물 행동 읽어내는 인공지능(AI) 프레임워크 개발
- IBS, 뇌과학-데이터과학 협력으로 복잡한 동물 움직임 인간처럼 구분하는 AI 제시 -
- 생물학 연구부터 로보틱스 산업까지 쓰임새 무궁무진한 동물 분석 모델 탄생 -
인공지능의 적용 영역이 점차 확대되고 있다. 이제는 인공지능 학습을 이용한 동물 행동 분석이 연구현장의 핵심 실험방법으로 활약할 전망이다. 기초과학연구원 (IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장 과 수리 및 계산 과학 연구단 데이터 사이언스 그룹 차미영 CI단장 (Chief Investigator·KAIST 전산학부 교수) 공동 연구팀은 동물의 3차원 움직임 정보를 바탕으로, 인공지능 학습을 통해 동물 행동을 분류하고 분석할 수 있는 새로운 분석 도구 인 ‘ 섭틀 (Spectrogram-UMAP-Based Temporal-Link Embedding, SUBTLE)’을 개발했다.
동물 행동 분석은 기초 신경과학 연구에서부터 질병의 원인과 치료법에 대한 연구에 이르기까지 다양한 연구의 핵심 도구로 활용 된다. 생물학적 연구뿐만 아니라 로보틱스 등 여러 산업분야까지 확대되어 널리 활용되고 있다. 최근에는 인공지능 학습을 활용해 시간에 따라 복잡하게 변화하는 동물 행동을 정확히 이해하고 분석하기 위한 노력이 진행 중이지만, 인간처럼 행동의 유사성을 직관적으로 인식하는 데에는 한계가 있다.
일반적인 동물 행동 연구 는 주로 1대의 카메라로 동물을 촬영해 특정 움직임의 시간, 빈도 등 저차원 데이터만을 분석 했다. 데이터의 분석에는 학습데이터 하나하나에 대응되는 결괏값을 인공지능에 제공해 분석하는 방법 을 사용했다. 마치 질문과 해답이 함께 있는 학습데이터를 가지고 반복적으로 학습시키는 형태다. 이 방법은 단순하지만 데이터 구축에 많은 시간과 노동의 투입이 요구되며 분석결과가 실험자의 주관적 판단에 의해 왜곡 될 수 있다.
연구진은 최근 각광받고 있는 인공지능 분석 방법인 비지도 학습(Unsupervised learning)으로 3차원 모션캡처 장비를 통해 추출한 3차원 움직임 정보를 분석해 동물 행동을 정확히 분류할 수 있는 분석 프레임워크를 구현 하는 데에 성공했다. 비지도 학습은 명시적인 결괏값(해답)이 없는 학습데이터로부터 인공지능이 스스로 데이터의 패턴과 구조, 특성을 찾아 유사성에 따라 클러스터로 묶어 분석한다. 따라서 인간의 개입을 최소화하면서 편향 없이 동물 행동을 분석할 수 있는 장점 이 있다.
우선, 연구진은 여러 대의 카메라로 생쥐의 움직임을 촬영해 생쥐의 머리, 다리, 엉덩이 등 9개의 키포인트 좌표를 추출해 시간에 따른 3차원 액션 스켈레톤 움직임 데이터 를 얻었다. 그리고 움직임의 시계열 데이터를 2차원으로 축소해 임베딩 1) (Embedding) 변환 했다. 그리고 유사성이 높은 행동 상태 (States)를 묶어 서브클러스터로 군집화 하고, 이 서브클러스터들을 다시 정형화된 행동 패턴(Repertoires)을 나타내는 슈퍼클러스터로 군집화 했다.
이 과정에서 연구진은 행동 데이터 클러스터를 평가하는 지표인 TPI (Temporal Proximity Index)를 새롭게 제안 했다. 이 지표는 각각의 클러스터가 동일한 행동 상태를 포함하고 효과적으로 시간적 움직임을 나타내는지를 측정 할 수 있다. 실제로 인간은 행동을 분류할 때 시간 정보를 중요하게 참고하는데, TPI는 행동 임베딩 공간에 시간의 연결성 개념까지 표현할 수 있게 해준다. 연구진은 이 지표를 이용한 클러스터 평가로 행동 분류에 최적화된 알고리즘 들을 찾을 수 있었다. 그리고 이들을 조합해 마침내 SUBTLE을 개발 했다.
연구진이 SUBTLE로 생쥐의 움직임을 분석해 검증한 결과, 행동 데이터 슈퍼클러스터에서 뒷발로 서기, 네발로 걷기, 멈추기, 털 고르기 등 다양한 행동 패턴들을 정확하게 구분하는 데 성공 했다. 이 결과는 기존 행동 분석 방법 대비 약 2배 이상의 정확도 를 보였으며, 인간이 직접 분류한 정밀도와 유사한 정도로 정확도가 향상 됐다.
또한, SUBTLE은 그룹 비교 등 다양한 분석이 가능 해 새끼 생쥐와 성체 생쥐 그룹 간 행동 데이터의 미묘한 차이까지 식별할 수 있었다. 그뿐만 아니라, 연구진은 팔굽혀펴기, 들어올리기, 밀기 등 인간의 운동 동작도 정확히 구분하는 데에도 성공 하면서, 인간, 원숭이 등의 데이터에도 적용 할 수 있음을 확인했다.
데이터 사이언스 그룹 차미영 CI단장은 “동물 행동 분류의 자동화를 돕는 평가지표와 벤치마크 데이터를 새롭게 제시한 것은 뇌과학과 데이터과학의 협력으로 이뤄낸 결실 ”이라며, “향후 이 알고리즘이 동물의 움직임을 모방하는 로보틱스 산업을 비롯해 행동 패턴 인식이 필요한 산업 전반에 유용 하게 활용될 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구를 이끈 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장은 “ 인간의 행동 패턴 인식 메커니즘을 적용해 인간의 개입을 최소화하면서도 동물의 복잡한 행동을 이해할 수 있는 효과적인 행동 분석 프레임워크 를 개발했다”라며, “산업적 응용 가능성이 클 뿐만 아니라, 행동을 인지하는 뇌의 원리를 더 깊게 이해하는 도구 로도 활용할 수 있을 것”이라고 전했다.
한편, 연구진은 지난해 4월 AI 기반 임상․비임상 행동 시험 분석 회사 액트노바에 SUBTLE의 기술을 이전 했다. 이번 연구에서 연구진은 동물의 3차원 움직임 데이터를 얻기 위해 액트노바의 동물행동 분석 시스템 아바타3D(AVATAR 3D)를 활용한 바 있다.
또한, 연구진은 SUBTLE의 코드를 오픈소스로 공개 하고, 프로그래밍에 친숙하지 않은 연구자들도 편리하게 동물 행동 분석이 가능하도록 사용자 친화적 그래픽 인터페이스(GUI)를 갖춘 SUBTLE 웹서비스 (http://sutle.ibs.re.kr/)를 제공하고 있다.
이번 연구 결과는 세계적인 AI 컴퓨터 비전 학술지 인 ‘ 국제컴퓨터비전학술지 (International Journal of Computer Vision, IJCV)’에 5월 20일 온라인 게재 됐다.
그림 설명
[그림 1] 새로운 행동 임베딩 평가지표인 TPI(Temporal link embedding) 제안
(A) 생쥐의 3D 액션 스켈레톤의 시간에 따른 움직임을 보여주며, 각 색상은 정형화된 행동 레퍼토리(걸기, 일어서기 등)를 나타낸다.
(B) 행동 임베딩 공간이 만들어진 후 시간에 따라 움직임의 패턴을 확인하면 임베딩이 잘 되었는지 확인이 가능하다. 좋은 임베딩 공간은 각 클러스터가 동일한 행동 상태를 포함하여 시간적 움직임이 효율적이지만, 나쁜 임베딩 공간은 각 클러스터가 서로 다른 행동 상태를 포함하여 비효율적인 시간적 움직임을 보인다.
(C) 시간적 연결성의 좋고 나쁨을 클러스터간의 전환 확률과 클러스터 간 거리를 곱한 값의 총(TPI)으로 나타낼 수 있다. (왼쪽) 가까운 클러스터로의 이동이 많으면 좋은 시간적 연결성이다. (오른쪽) 가까운 클러스터로의 이동이 적으면 나쁜 시간적 연결성이다.
(D) 행동 임베딩 공간의 시간적 연결성을 평가하기 위한 시간적 근접성 지수(TPI) 계산법.
(E) 비지도 기반 동물 행동 분석을 위한 작업흐름도.
[그림 2] SUBTLE 프레임워크 모식도
(A) 생쥐의 움직임에서 키포인트들의 3차원 좌표를 얻어내고 분석하는 과정
왼쪽은 AVATAR3D 촬영 장비를 이용해서 생쥐의 움직임을 3차원 좌표로 추출하는 과정을 나타내며, 오른쪽은 AVATAR3D에서 나온 3차원 좌표 데이터를 처리 및 분석하는 과정을 보여준다.
1) 아바타를 이용하여 3D 액션 스켈레톤을 추출
2) 운동학적 특성 및 웨이블릿 스펙트로그램을 키포인트 좌표로부터 추출
3) 비선형 t-SNE 및 UMAP 알고리즘 수행하였으며, 둘 중 UMAP을 이용한 임베딩이 이번 연구에서 개발한 SUBTLE이다.
(B) 비선형 맵핑 결과
클러스터 개수(k) 증가에 따른 t-SNE와 UMAP을 이용한 임베딩 결과를 보여준다. t-SNE는 시간에 따라 섞인 실타래 형태를 보이나, UMAP은 시간적으로 잘 정렬된 그리드 형태를 보인다. 또한 모든 클러스터 개수에서 UMAP이 t-SNE보다 TPI 점수가 우수함을 확인했다.
[그림 3] 기초과학연구원에서 제공하는 온라인 행동 분석 SUBTLE 프레임워크
SUBTLE의 코드는 오픈소스로 공개되었으며, 프로그래밍에 친숙하지 않은 연구자들도 편리하게 동물 행동 분석이 가능하도록 웹서비스(http://subtle.ibs.re.kr/)를 제공하고 있다.
1) 임베딩(embedding): 고차원 공간의 단어나 이미지와 같은 데이터를 수학적으로 표현하여 각 데이터에 대응하는 벡터의 모음으로 두는 것이다. 복잡한 데이터를 보다 간결하고 의미 있는 방식으로 표현할 수 있으며, 인간이 지각하는 이미지나 자연어를 컴퓨터에 입력하여 인식하게 하는 방법이다.
2024.05.22
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