Humboldt-Universität zu Berlin

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Science, 18 Dec 2020: Vol. 370, Issue 6523, eaaz3136 | DOI: 10.1126/science.aaz3136
Perirhinal input to neocortical layer 1 controls learning

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

해마 (Hippocampus)가 기억 형성에 중요하다는 것은 이전 연구들을 통해 잘 알려져 있는 반면, 해마의 기능과 독립적이라고 여겨지는 장기기억의 형성 과정이나 해부학적 위치 등에 대해서는 상대적으로 잘 알려져 있지 않습니다. 이는 Karl Lashley의 실험에서도 알 수 있듯이 장기기억은 여러 대뇌피질 (Cerebral cortex) 구조들에 분산된 형태로 저장되어 있기 때문입니다.

우리 연구진은 대뇌피질에서의 기억 형성 메커니즘을 밝히기 위해 대뇌피질 구조들의 공통적인 해부학적 특징인 laminar organization에 집중하였습니다. 세 개의 층으로 이루어진 해마 구조와는 달리 대부분의 대뇌 피질 구조들은 보통 여섯 개의 층으로 이루어져 있고 각 층은 서로 다른 세포 구성과 input-output connectivity를 나타냅니다. 이러한 조직 체계의 흥미로운 점은 감각기관에서 전달되는 외부 정보와 뇌 자체에서 만들어지는 내부 정보가 서로 다른 대뇌피질 층에 의해 처리된다는 점입니다. 특히 higher-order 구조로부터의 예측, 기대, 기억 등의 정보는 대뇌피질의 가장 바깥 층인 layer 1을 통해 도달합니다.

이러한 이전의 해부학적 연구 결과들을 바탕으로 우리 연구진은 해마와 주변구조가 대뇌피질 layer 1을 통해 기억 형성을 매개할 것이라는 가설을 세웠습니다. 이를 규명하기 위해 먼저 해부학적 추적 (anatomical tracing) 기법을 이용하여 parahippocampal 구조 중 하나인 perirhinal cortex가 일차감각피질 (primary sensory cortex)의 layer 1에서 시냅스를 형성한다는 것을 보여줬고, 화학유전학 (Chemogenetics) 및 약리학 (pharmachology) 기법을 통해 이 synaptic input이 감각 기억 형성을 조절한다는 것을 밝혀내었습니다. 또한 in-vivo 전기생리학과 two-photon microscopy 기법을 이용해 기억 형성이 대뇌피질의 단일 뉴런 레벨에서 어떠한 영향을 미치는지 연구하였는데, layer 1에서 synaptic input을 받는 layer 5 피라미드 뉴런 (pyramidal neuron)의 수상돌기(dendrites)에서 칼슘 activity가 활성화되었고 이는 전기생리학적으로는 더 빈번한 burst firing와 동반된다는 것을 보여주었습니다.

마지막으로 단일 피라미드 세포에서 burst firing을 유도하였을 때 보다 낮은 빈도수 (frequency)에서 같은 수의 활동전위 보다 학습된 행동을 더 효과적으로 유도한다는 것을 보여줌으로서 대뇌피질의 정보처리 과정에서 burst coding의 중요성을 제시하였습니다. 따라서 본 연구는 시스템 레벨뿐만 아니라 세포 레벨에서의 기억 형성 과정을 제시하였을뿐만 아니라 대뇌피질의 layer 1이 장기기억 형성에 중요한 해부학적 타겟이 된다는 것을 규명함으로써 앞으로의 기억 연구에 큰 기여를 할 것으로 기대합니다.

본래 이 프로젝트는 제 사수였던 Guy Doron 박사님(공동 1저자)이 저희 랩으로 오시면서 시작하셨는데, 2년 전 박사님이 독일 제약회사인 Bayer로 옮기시면서 제가 주도적으로 맡게 되었습니다. 다행히 Doron 박사님은 자리를 옮기신 후에도 연구에 최대한 참여하시기 위해 노력하셨고 지도교수님과 다른 공동연구자분들의 도움을 받아 연구를 잘 마무리할 수 있었습니다. 또 한 가지 에피소드라면, 사실 저희 논문은 1년 반 전 첫 제출에서 major revision으로 인한 리젝션을 받았었습니다.

다행히도 에디터가 1년 내로 재제출의 기회를 주었고 10개월 만에 추가 실험 및 분석을 끝내 논문을 거의 완전 다시 쓴 후에야 두 번의 추가적인 리뷰잉 과정을 거쳐 어셉트를 받을 수 있었습니다. 첫 제출로부터 논문이 나오기까지 1년이 넘는 시간이 걸린 셈입니다. 최근 동향을 보면 이런 경우가 적지는 않은 것 같지만 개별 연구자의 입장으로서는 살짝 조바심이 나게 되는 것 같습니다. 이번 경험을 통해 논문 출판 과정에 대해 자세히 알게되었고 어떤 단계들에서 효과적으로 시간을 절약할 수 있을지 등에 대해 배웠던 것 같습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

제가 소속되어 있는 연구실은 베를린 Humboldt 대학교의 Matthew Larkum 교수님이 지도교수로 계시는 곳입니다. 지도교수님은 노벨상 수상자인 Bert Sakmann 교수님의 랩에서 박사후과정을 하시던 때부터 active dendritic property (최근 연구들을 통해 수상돌기 또한 액손과 마찬가지로 활동전위와 같은 전위를 생성할 수 있다는 것이 알려져 있으며 활동전위와 구분하기 위해 dendritic spikes라고 합니다)에 대해 연구하시고 계시고 현재 연구실도 layer 5 피라미드 뉴런의 수상돌기 레벨에서의 정보 처리에 초점을 두고 대뇌피질의 기능에 대해 연구하고 있습니다. 실험실은 in-vitro 전기생리학뿐만 아니라 two-photon microscopy와 in-vivo 전기생리학 등 다양한 기법들을 동물행동실험과 혼합하여 dendritic spikes가 뇌의 기능과 동물 행동에 어떠한 역할을 하는 지에 대해 연구하고 있습니다. 실험실 분위기는 매우 자유롭고 자율적인 편이고 독일에 있는 실험실임에도 불구하고 지도교수님이 호주 분이시고 미국, 독일, 이집트, 터키, 한국, 일본, 중국 등 매우 국제적입니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

뇌의 신비함과 복잡성에 이끌려 신경과학을 공부하게 되었는데 배우면 배울수록 난해한 분야라는 생각이 듭니다. 그래도 그만큼 아직 밝혀지지 않은 것이 많다는 뜻이고 앞으로 더 연구할 주제가 많다는 뜻이라는 생각이 들기도 합니다. 최근 여러 분야에서 공동연구의 중요성이 많이 강조되고 있는데 복잡한 뇌와 신경계를 연구하기 위해서는 특히 공동연구가 중요한 것 같습니다. 이번 연구에서도 여러 실험적 그리고 분석적 기법을 융합해야 했기 때문에 실험실 내뿐만 아니라 다른 실험실과의 공동연구가 필수적이었습니다. 다양한 배경을 가진 연구자들이 모여 의논을 하다 보면 색다른 아이디어가 나오기도 하고 흥미로운 일들이 많이 생깁니다. 이번 연구를 통해 공동연구의 힘을 깨닫게 되었고 앞으로도 다른 연구자들과의 활발한 공동연구를 통해 뇌의 기능을 규명해나가고 싶습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

연구는 정해진 답이 없을 뿐만 아니라 질문까지도 연구자가 스스로 찾아야 합니다. 이 과정 중에서 어느 누구도 자신이 올바른 방향을 향해 가고 있는지, 심지어는 답이 존재하는지 조차도 말해줄 수 없습니다. 또한 대부분의 실험은 실패하기 일쑤이고 보상은 대개 투자한 노력이나 시간에 정비례하지 않고 보상의 텀 또한 빈번하지 않은 편입니다. 따라서 끈기와 열정, 그리고 긍정적인 마음가짐이 훌륭한 연구자가 되기 위해 가장 중요한 것 같습니다. 박사과정과 연구는 마라톤 경기와도 같다고들 하는데, 그러므로 자기관리 능력과 스트레스 관리가 아주 중요하다고 생각합니다. 특히 스트레스 관리를 위해 운동을 하거나 취미를 가지는 것을 추천합니다. 예를 들어, 저는 박사과정을 시작하면서 바이올린을 다시 배우기 시작했는데 짧은 시간이지만 그 시간 동안은 연구에 대한 생각을 접고 한 가지에 집중할 수 있어서 좋았고 가장 중요한 것은 작게나마나 성취감을 느낄 수 있어서 스트레스 관리에 도움이 되었던 것 같습니다.

마지막으로 한 가지 말씀드리고 싶은 것은 유학에 관한 것인데, 대부분의 유학준비생들께서 미국 대학교들과 연구소만 주로 알아보시는 것 같습니다. 시선을 넓혀보면 유럽 지역에서도 좋은 랩들을 많이 찾아볼 수 있다고 생각하며, 리서치핏이 맞는 곳을 찾을 수 있을 것입니다. 생활적인 면으로도 특히 자녀 계획이 있는 젊은 연구자들이나 워라밸을 중요사하는 분들은 사회보장제도가 잘 되어 있는 유럽 국가들을 고려해보실만한 것 같습니다. 물론 언어적, 문화적 차이와 인종차별에 관한 고민도 해봐야 겠지만 한국을 벗어나면 이는 어디나 마찬가지인 것 같고 개인의 성향에 따라 적응도의 차이도 큰 것 같습니다. 신경과학 분야로 독일 유학에 관심있으신 분들은 구글에 neuroscience graduate school in germany로 검색하여 보시거나 개인적으로 연락을 주시면 제가 아는 한까지 도움을 드릴 수 있을 것 같습니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

석사 과정 때 처음 접한 이후로 실시간으로 뉴런의 활동을 볼 수 있는 전기생리학에 대한 매료되었습니다. 박사과정 동안에는 전기생리학기법을 이용해 해마와 주변구조로부터 유래한 top-down input이 어떻게 대뇌피질에 장기기억 형성을 매개하는 지에 대해 연구했지만 저의 넓은 관심분야는 뇌의 내부에서 생성된 (internally generated) 주변 환경에 대한 정보가 실제 외부 감각 정보와 어떻게 상호작용하며 우리의 지각(perception)과 행동에 영향을 미치는지, 그리고 대뇌피질이 어떻게 복잡한 뇌의 기능을 매개하는 지에 있습니다.

이를 연구하기 위해 올해초부터 뉴욕대학교에서 박사후과정을 시작할 예정이고, 동물실험을 벗어나 간질 (epilepsy) 환자들의 뇌에서 전기생리학적 측정을 통해 어떻게 인간의 대뇌 피질이 예측 오차 (prediction error)를 처리하는 지, 그리고 대뇌피질의 각 층이 어떻게 기여하는지에 대해 연구할 예정입니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

항상 통찰력 있는 토론으로 지도해주시고 훌륭한 롤모델이 되어 주신 지도교수님 Larkum 교수님께 특별한 감사의 인사를 드립니다. 또한 in-vivo 전기생리학과 동물행동실험을 처음 가르쳐주셨을 뿐 아니라 박사 과정 첫 2년 동안 지도를 해주신 저의 사수 Doron 박사님, 공동연구를 통해 논문에 큰 기여를 해주신Takahashi 박사님과 Bocklisch 박사님 포함 여러 같은 랩의 공저자 분들, 그리고 Ottawa 대학의 Naud 박사님, 동물 실험에 도움을 준 여러 학사, 석사 학생들이 없었더라면 이번 연구를 성공적으로 진행하지 못했을 것입니다. 도움이 필요할 때 마다 주저하지 않고 손을 내밀어 주었을 뿐만 아니라 동료를 넘어서 친구가 되어준 다른 모든 실험실 멤버들께도 고맙다는 말 전합니다. 마지막으로 한국에서 항상 저를 믿어주시고 응원해주시는 여러 지인분들과 사랑하는 가족들, 같이 박사과정을 하면서 힘들 때, 기쁠 때 항상 함께 해준 남편 Noam에게도 특별한 감사의 말씀 전합니다. 사진은 2018년 여름 Doron 박사님의 송년회 떄 찍은 실험실 단체 사진입니다.

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Category: Neuroscience
등록일 2021.01.05
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