뺏기보다 지키기가 어려운 원리 찾았다...3.4g 초소형 무선 뇌 신호 측정 시스템 개발
‘창업(創業)은 쉬우나 수성(守成)은 어렵다’는 고사성어의 과학적 원리가 밝혀졌다.
기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 신희섭 명예연구위원 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 뇌과학연구소 조일주 단장 연구팀과 공동으로 ‘초소형 무선 뇌 신호 측정 시스템’을 개발했다. 나아가 경쟁에서 목표물을 얻기보다 지키는 행동이 중요함을 밝혔다.
‘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 있다. 매우 작고 가벼워(1.5x1.5x2cm, 3.4g) 동물 행동에 제약을 주지도 않는다.
연구진은 경쟁 시 행동과 뇌 활동의 연결고리를 찾고자 공복상태의 생쥐 두 마리에 개발한 시스템을 장착, 먹이 경쟁 실험을 진행했다. 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 전했다.
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.
이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스 (Biosensors and Bioelectronics, IF 10.618)’에 2021년 10월 5일에 온라인 게재되었다.
논문명
Interference-free, lightweight wireless neural probe system for investigating brain activity during natural competition(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566321007028)
저자정보
Hyogeun Shin*, Junweon Byun*, Donghyun Roh, Nakwon Choi, Hee-Sup Shin*, and Il-Joo Cho* (* contributed equally)
연구내용 보충설명
■ 경쟁은 공통된 목적을 얻기 위해 개체 또는 종간의 사회적 상호 작용이다. 경쟁에 관한 신경과학 연구는 거의 수행되지 않았는데, 실험 시 동물들이 자유로운 경쟁을 하는 동안 뇌신호를 측정할 수 있는 도구가 부족했기 때문이다.
■ 대부분의 뇌신호를 측정하는 도구는 유선 시스템으로, 동물이 움직이는 동안 선이 꼬이거나 선으로 인해 행동의 제약이 있었다. 이로 인해 경쟁에 관한 신경과학 연구는 닫힌 유리관에서 진행되었다. 두 마리 생쥐가 서로를 유리관 밖으로 밀어내는 단순한 실험에서는 목표가 없었으며, 행동의 범위가 제한적이었다. 결과적으로 경쟁에서 중요한 행동이 무엇인지 밝혀내기에는 한계가 있었다.
■ 최근 들어 유선 시스템의 한계를 극복하기 위해 무선 뇌신호 측정 시스템들이 개발되었다. 하지만 이전에 개발된 무선 시스템들은 시스템 간 신호 간섭이 발생하여, 경쟁과 같은 사회성 실험에는 적용하기 어렵거나 무게가 무거워 동물의 자유로운 행동을 방해하였다.
■ 기존 개발된 무선 뇌신호 측정 시스템들의 단점들을 극복하기 위하여, 공동 연구진은 초경량 무선 뇌신호 측정 시스템을 개발하였다. 개발한 시스템은 3.4g의 가벼운 무게로 생쥐와 같은 소형 동물의 행동에 방해가 되지 않았다. 또한, 시스템 간 신호 간섭이 없는 블루투스 무선통신을 적용하여, 여러 마리 생쥐에서 동시에 뇌신호 측정이 가능하였다. 추가적으로, 실시간 신호 처리기법을 시스템에 집적된 소형컴퓨터(MCU)에 적용하여, 최대 16개 전극에서 뇌신경 신호 측정이 가능하였다.
■ 공동 연구진들은 개발한 시스템을 이용하여, 음식 경쟁 실험을 진행하였다. 원활한 음식 경쟁을 위해, 식이 조절 및 실험 환경에서의 반복 학습을 진행하였다. 공복상태의 두 마리 생쥐가 직사각형 상자 내 시작 영역에 들어가면, 맞은편에 먹이 알갱이가 제공되며 파란 등이 켜졌다. 먹이가 제공되었음을 인지한 생쥐들은 먹이를 향해 달려가거나 뺏고 빼앗기는 등 경쟁을 벌였다. 연구진은 경쟁 시 나타나는 다양한 행동들과 내측 전전두엽의 뇌신경 신호간의 연관성을 분석하였다.
■ 내측 전전두엽의 신경 세포들은 상대 생쥐 인지, 먹이 탐색, 후퇴 등 다양한 행동들에서 반응하였는데 그 중 먹이를 빼앗거나 지키는 행동에 강하게 반응하였다.
■ 추가적으로 연구진들은 먼저 먹이를 선점한 생쥐와 뒤늦게 도착한 생쥐로 구분하고, 동일한 방법으로 뇌 신호와 행동 사이 연관성을 분석하였다. 먹이를 차지한 순서와 관계없이, 뇌 신호 빈도가 먹이를 빼앗거나 지키는 행동 모두에서 다른 행동보다 높음을 확인하였다. 즉 내측 전전두엽이 경쟁 중 먹이를 빼앗거나 지키는 행동과 강한 연관성이 있는 것이다.
■ 나아가 뒤늦게 도착한 생쥐가 먹이를 빼앗고 이를 지키는 행동으로 전환하였을 때, 뇌 신호 빈도가 더 증가함을 확인함으로써, 음식 경쟁에서 먹이를 지키는 행동이 가장 중요한 행동임을 발견하였다.
연구 이야기
■ [연구배경] 경쟁은 대표적인 사회적 상호작용이지만 경쟁 중 뇌 신호를 측정할 수 있는 도구가 부족하여, 신경과학 연구는 거의 수행되지 않았다. 사회성 연구에 유용한 도구 개발과 경쟁 과정에서 중요한 행동 규명을 위해 연구를 시작하였다.
■ [연구과정] 자유로운 경쟁동안 뇌신호를 측정할 수 있는 초경량 무선 뇌신호 측정 시스템을 개발하였다. 이를 이용한 음식 경쟁 실험을 통해 경쟁 시 뇌신호를 측정하였다. 실험 결과를 토대로 경쟁 과정 중 나타나는 행동들과 뇌 활동 간의 연관성을 분석하였다.
■ [연구결과] 자유로운 경쟁동안 뇌신호를 측정할 수 있는 블루투스 무선통신 기반의 초경량 뇌신호 측정 시스템을 개발하였다. 개발한 시스템은 생쥐의 자유로운 행동을 가능하게 하였으며, 동시에 여러 마리에서 뇌신호 측정이 가능하였다. 개발한 시스템을 이용한 음식 경쟁 실험에서 내측 전전두엽내 신경 활동과 먹이를 빼앗거나 지키는 행동 간에 높은 양의 상관관계가 있음을 발견하였다. 특히, 먹이를 빼앗고, 지키는 행동으로 전환하였을 때, 신경 활동이 증가함을 확인하여, 신경과학적 관점에서 지키는 행동이 중요한 역할임을 발견하였다.
■ [향후 연구계획] 개발한 시스템을 이용하여, 경쟁 이외의 복잡한 사회성 연구를 수행하고자 한다. 또한, 본 연구에서 개발한 시스템은 뇌신호 측정만 가능하였기에, 뇌질환 치료제 개발, 뇌회로 연결성 규명 등에 활용하기에 어려움이 있었다. 따라서, 약물 전달, 빛 자극 등 다양한 자극 기능이 추가된 시스템을 개발하여, 제품의 활용 범위를 넓히고자 한다.
[그림1] 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
[그림 2] 개발한 시스템을 이용하여 자유롭게 행동하는 6마리 생쥐의 뇌신호를 동시 측정하는 실험 장면 및 결과
(왼쪽) 개발한 시스템을 이용하여, 자유롭게 행동하는 6마리 생쥐의 뇌 신호를 측정하는 실험 장면, (오른쪽) 각 생쥐로부터 측정된 뇌신호
[그림 3] 개발한 시스템을 이용한 음식 경쟁 테스트 모식도 및 측정 결과
(왼쪽) 음식 경쟁 테스트 모식도. 두 마리 생쥐가 시작 영역에 들어가면 먹이가 제공된다. (오른쪽) 전체 10분 동안 측정된 뇌 신호를 시각화한 그래프.
[그림 4] 개발한 시스템을 이용한 음식 경쟁 테스트
두 마리 생쥐가 시작 영역에 들어간 후 작은 먹이 알갱이가 제공됨에 따라 음식 경쟁을 하는 일련의 실험 과정.
[그림 5] 먹이를 지키는 행동과 빼앗는 행동에서 내측 전전두엽의 뇌신호 변화
먹이를 지키는 행동과 빼앗는 행동에서 내측 전전두엽의 뇌 신호 발화율이 증가함을 보여주는 그래프이다.
[그림 6] 먼저 도착한 생쥐와 뒤늦게 도착한 생쥐의 각 행동별 내측 전전두엽의 뇌신호 발화율 비교 그래프
먼저 도착한 생쥐와 뒤늦게 도착한 생쥐에서 지키는 행동, 빼앗는 행동 그리고 후퇴하는 행동과 나머지 행동들 사이에 평균 발화율을 비교하는 그래프들이다. 두 생쥐 모두 먹이를 지키는 행동과 빼앗는 행동에서 평균 발화율이 증가하였다.
[그림 7] 뒤늦게 도착한 생쥐가 먹이를 빼앗는 행동에서 지키는 행동으로 전환할 때의 내측 전전두엽의 뇌신호 변화
(왼쪽) 뒤늦게 도착한 생쥐가 앞선 생쥐의 먹이를 빼앗은 뒤 이를 지키는 행동으로 전환하는 과정을 나타낸 모식도, (오른쪽) 먹이를 빼앗는 행동에서 지키는 행동으로 전환할 때 내측 전전두엽의 뇌신호 발화율이 증가함을 보여주는 그래프이다.
생명과학 기초과학연구원 (2021-10-12)