BioWave,  Vol. 24 No. 9
서울대학교 생명과학부 Cognitive Circuitry Lab(뇌인지회로연구실) 김형 교수
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연구 목표  
 

* 인간에게 직접 적용할 수 있는 뇌 회로 작동 메커니즘 규명 및 인지행동 조절 지식 확보 *

 본 연구실은 영장류의 인지행동을 조절하는 뇌회로와 그 메커니즘을 인지행동학과 전기생리학, 그리고 분자생물학을 이용하여 밝히고 있습니다. 최근에는 학습과 기억의 뇌회로와 그 메커니즘에 대해서 연구하고 있습니다. 영장류의 뇌회로에서 물체가치에 대한 단기기억과 장기기억을 처리하고 저장되는 뇌 영역 메커니즘을 규명하고, 이 두 가지 기억이 어떻게 영장류의 의식적 행동과 무의식적인 습관을 다르게 조절하여 형성하는지에 대해서 활발히 연구하고 있습니다. 더 나아가 학습과 기억에 대한 뇌회로와 기억메커니즘을 영장류에서 인위적으로 조절하여 기억과 인지행동을 변화시키는 연구도 수행하고 있습니다. 본 연구를 통해 영장류 뇌의 작동원리를 이해하고, 인간의 본질에 대해서 탐구하며, 나아가 인간의 뇌회로를 모사한 인공지능개발과 뇌질환 환자에게 직접 적용할 수 있는 뇌 지식을 확보할 것입니다.

 
연구 내용  
 

 뇌를 그저 복잡하고 무질서한 유기체로 볼 수도 있겠지만, 이 복잡해보이는 뇌는 매우 정교한 회로들로 구성이 되어 있고, 이 회로들을 통해서 특정 기능들을 수행하고 있습니다. 저희 연구실에서는 이 뇌 회로들을 영장류를 이용하여 연구하고 있으며, 그 중에서도 특히 학습과 기억에 관련된 회로를 뇌에서 동정하고, 조절하여 그 기능을 밝히는 연구를 하고 있습니다. 저희 실험실에서는 동물연구와 인간연구를 동시에 수행하고, 그 결과를 기반으로 인간 뇌를 직접적으로 심도깊게 이해하고자 합니다. 저희 연구는 뇌 회로에 대한 이해뿐만 아니라, 실제 환자에게도 사용될 수 있는 기술 개발에도 응용될 수 있습니다.

  1. 물체가치 학습과 기억형성에 도파민 뉴런의 역할 규명

 도파민은 여러가지 인지기능장애 및 행동기능장애에 관련된다고 알려져 있습니다. 영장류의 도파민 뉴런과 기저핵(basal ganglia)는 설치류와는 다르게 앞-뒤축으로 서로 다른 기능을 수행한다고 알려져 있습니다(Kim and Hikosaka, 2013 Neuron; Kim et al., 2015 Cell; Kang et al., 2021 Nat. Comm.; Kim, 2021 Mol. Brain). 영장류 기저핵의 앞-뒤축에 연결되어 있는 도파민 뉴런 회로가 학습과 기억에서 어떤 기능을 다르게 수행하고 있는지 연구하고 있으며, 각 도파민 뉴런 회로를 인위적으로 활성 및 억제한 영장류 모델을 이용하여 인지기능장애 및 운동기능장애에 대한 뇌질환 연구를 수행하고 있습니다.

  2. 영장류 뇌에 저장되는 습관기억 메커니즘 연구

 우리 행동의 많은 부분은 습관적으로 일어납니다. 이 습관을 조정하고 있는 습관기억을 연구하기 위해 인간과 영장류동물모델의 안구운동을 이용한 시각습관(visual habit)을 중심으로 연구하고 있습니다(Kim 2021 Mol. Brain). 이는 가치가 높은 좋은 물체를 오랫동안 학습하면, 이 물체의 가치가 없는 상황에서도 습관적으로 보고 선택하는 행동입니다. 이러한 습관행동에 관여하는 영장류 뇌 회로가 의식적 행동을 조절하는 뇌 회로 메커니즘과 다른 분자생물학적, 신경회로적 메커니즘이 있는지 연구하고 있습니다. 이 연구는 습관형성에 대한 메커니즘 이해뿐만 아니라, 중독현상과 같은 인간의 뇌질환을 뇌회로 수준에서 직접적으로 이해하게 해줍니다.

  3. 조현병 이해와 치료를 위한 기억인출 연구

 조현병에 대한 이해를 뇌 회로 기능적으로 이해하고 치료방법을 찾기 위해서 기억인출을 기반으로 연구를 진행하고 있습니다. 이를 통해 조현병의 인지기능장애에 대한 이해와 새로운 치료기전을 규명하고자 합니다. 이를 위해 환자-인간-동물 연구를 유기적으로 연결하는 파이프라인을 구축하고 있으며, 최근 조현병과 연관된 뇌 영역 중 하나인 복부선조체(ventral striatum)의 기능을 인간과 동물모델을 이용하여 밝혔습니다. 이를 통해 인간-동물모델 연구 파이프라인을 구축하고 환자와 연계하여 연구를 진행하고자 합니다.

 
연구 성과  
 

Publications(*2013년 이후 중요 논문들)

Kim HF
  Brain substrates for automatic retrieval of value memory in the primate basal ganglia
  Molecular Brain volume 14, Article number: 168 (2021)

Kang J, Kim H, Hwang SH, Han M, Lee S, Kim HF*
  Primate ventral striatum maintains neural representations of the value of previously rewarded objects for habitual seeking
  Nature Communications 2021 April 8

Kim HF*, Griggs W, Hikosaka O. (* corresponding author)
  Long-term value memory in the primate posterior thalamus for fast automatic action
  Current Biology 2020 June

Amita H, Kim HF, Inoue K, Takada M, Hikosaka O.
  Optogenetic manipulation of a value-coding pathway from the primate caudate tail facilitates saccadic gaze shift
  Nature Communications 2020 April

Jiang HY and Kim HF* (* corresponding author)
  Anatomical inputs from the sensory and value structures to the tail of the rat striatum.
  Front Neuroanat. 2018 doi: 10.3389/fnana.2018.00030.

Kim HF*, Amita H, Hikosaka O (* corresponding author)
  Indirect pathway of caudal basal ganglia for rejection of valueless visual objects.
  Neuron 2017 May 94(4), 920-930.

Griggs WS+, Kim HF+, Ghazizadeh A, Gabriela Costello M, Wall KM, Hikosaka O. (+ equal contribution)
  Flexible and Stable Value Coding Areas in Caudate Head and Tail Receive Anatomically Distinct Cortical and Subcortical Inputs.
  Front Neuroanat. 2017 doi: 10.3389/fnana.2017.00106.

Kim HF*, Ghazizadeh A, Hikosaka O (* corresponding author)
  Dopamine neurons encoding long-term memory of object value for habitual behavior
  Cell 2015 Nov 19; 19;163(5):1165-1175

Kim HF* and Hikosaka O (* corresponding author)
  Parallel basal ganglia circuits for voluntary and automatic behavior to reach reward
  Brain 2015, http://dx.doi.org/10.1093/brain/awv134

Kim HF*, Ghazizadeh A, Hikosaka O (* corresponding author)
  Separate groups of dopamine neurons innervate caudate head and tail encoding flexible and stable value memories.
  Front. Neuroanat. 2014, 8:120. doi: 10.3389/fnana.2014.00120

Kim HF* and Hikosaka O (* corresponding author)
  Distinct basal ganglia circuits controlling behaviors guided by flexible and stable values.
  Neuron 2013 Sep 4;79(5): 1001-1010

 
     
 
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 지도교수: 김형 교수

 석박사통합과정: 황성환, 박준, 팽소망, 이지우, 안신영
 연구원: 김지영
 Contact :
02-880-4407(Lab)
 Homepage: https://cocila.net/

 
     
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등록일 2022.07.04
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