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한국실험동물학회 뉴스레터	2023년 3월
[우수연구실소개] 서울대학교 뇌인지회로 연구실

서울대학교 뇌인지회로 연구실 (Cognitive Circuitry Laboratory, COCILA) □ 연구책임자 및 구성원 (왼쪽에서 두번째) 김형 교수 - 교수 (연구책임자): 김형 (hfkim@snu.ac.kr, cocila.net) - 연구원 : 김재민, 황성환, 이지우, 안신영, 박새리, 이건우, 이서연, 김윤혁 □ 연구실 개요 - 뇌인지회로 연구실 뇌를 그저 복잡하고 무질서한 유기체로 볼 수 있겠지만, 이 복잡해 보이는 뇌는 매우 정교한 회로들로 구성되어 있고 이 회로들을 통해서 특정 기능들을 하고 있습니다. 저희 연구실에서는 이 뇌 회로들을 영장류 동물모델을 이용해 연구하고 있습니다. 그중에서도 특히 학습과 기억에 관련된 회로를 뇌에서 동정하고 조절하여 그 기능을 밝히는 연구를 하고 있습니다. 저희 연구는 뇌 회로에 대한 이해뿐만 아니라 환자에게도 사용될 기술 개발에도 응용될 수 있습니다. - 세계적인 영장류 뇌 연구 추세와 국내 영장류 뇌 연구소 인간 뇌의 이해는 기초과학적 측면뿐만 아니라, 공학적, 인문학적으로도 매우 중요한 주제입니다. 이를 위해서 중국, 일본, 미국 등 세계 여러 나라에서는 인간 뇌를 직접 이해하기 위한 연구를 시작했으며, 특히 중국은 2023년부터 ‘Big Brain Project’를 시작하여 5년간 한화 8,000억 규모의 예산을 들여 인간에게 직접적으로 적용 가능한 뇌 과학 지식을 획득하기 위해 영장류를 이용한 동물 연구에 돌입하여, 뇌에 대한 인지 행동, 뇌 신호분석 및 유전체 연구로 인간을 직접적으로 이해하고, 나아가 환자에게 직접 적용할 수 있는 지식 획득 기반을 마련하고 있습니다. 또한, 일본도 마모셋을 이용하여 유전체 연구에 집중하고 있으며, 미국도 빠르게 중국과 일본의 연구 추세에 발을 맞추고 있습니다. 한국에서는 현재 서울대학교와 성균관대학교, 그리고 국가영장류 센터에 뇌 연구를 진행할 수 있는 시설을 마련하여 환자 치료에 직접적으로 응용하여 도움을 줄 수 있는 지식을 창출하고자 노력하고 있습니다. □ 주요 연구 내용 · 연구 주제 1 - 습관기억회로 메커니즘에 기반한 습관적 의사결정 연구 많은 뇌인지회로가 있겠지만, 그중에서도 저희 연구실은 학습과 기억에 관련된 뇌 회로를 연구하고 있습니다. 하지만, 학습과 기억에 관련된 회로들도 매우 많습니다. 저희는 이 중에서도 기저핵이라고 불리는 뇌 영역이 어떻게 암묵 기억을 저장하는지에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 기존의 기저핵은 운동을 조절하고, 이 부분이 고장 나면 헌팅톤병(무도병)이나 파킨슨병과 같은 뇌질환이 생긴다는 것이 잘 알려져 있습니다. 하지만, 이 기저핵은 단순히 운동기능을 조절하는 것뿐만 아니라, 물체 가치를 배우고 기억해서 습관행동으로 표출하는 기능을 한다는 것도 최근 연구들을 통해서 알려지게 되었습니다. 특히 저희 연구실에서는 이 기저핵과 연결된 회로들이 어떻게 암묵 기억을 저장하고 이 기억을 이용해서 습관 행동을 생성하는지에 대해서 연구하고 있습니다. 본 연구를 통해 습관을 형성, 저장 및 조절하는 영장류 뇌 회로를 규명하고, 이 습관 회로를 조절하여 영장류 습관 행동을 교정하는 연구를 진행하고 있습니다. · 연구 주제 2 - 다중기억 인출 및 기억 선택 뇌 회로 연구 저희는 조현병의 환청, 망상, 혼란된 사고와 같은 증상을 기억 인출의 오작동 차원에서 이해하고자 다중 기억 인출 및 선택 과정의 메커니즘을 이해하기 위한 연구를 하고 있습니다. 특히 기억과 관련된 많은 영역 중, 변연계에 속하는 뇌 영역이 어떻게 여러 개의 기억 중 상황에 따른 적절한 기억을 선택해서 인출하는지에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 기억은 암묵 기억과 서술기억으로 나눌 수 있고, 이 두 기억은 뇌의 다른 영역에서 담당하고 있다는 것이 알려져 있습니다. 서술기억은 뇌의 변연계에서 처리가 되고 있으나, 영장류 변연계 뇌 회로에 대한 연구는 매우 미비한 실정입니다. 기존에는 기억과 관련하여 해마의 기능 중심으로 활발한 연구가 진행되었습니다. 하지만 최근 연구를 통해, 해마뿐만이 아니라 해마와 상호작용하는 인접 영역을 이해하는 것이 보다 정확한 이해를 위해 필요하다고 보고되었습니다. 기억 저장 및 인출과 관련된 영장류 해마를 포함한 변연계 회로의 기능을 규명하여 어떻게 상황에 맞는 기억을 인출하는지를 연구하고, 이를 통해 조현병 증상을 이해하여 관련 병리기전에 대한 지식을 창출하고자 합니다. · 연구 주제 3 - 영장류 손끝 촉각을 이용한 가치기억 연구 영장류는 손을 이용한 촉각 정보를 적극적으로 활용하는 동물입니다. 저희는 그중에서도 손을 이용해서 들어오는 촉각 정보에 기반한 가치 정보가 뇌의 어떤 부위에서 처리되는지를 연구하고 있습니다. 기존의 신경과학 연구에서는 시각 정보를 통해 들어오는 가치 정보가 뇌에 어느 부위에서 표상되고 어떠한 회로를 통해서 처리되는지에 대한 연구가 주를 이루었습니다. 하지만 동물은 시각뿐만 아니라 다른 감각 기관을 통해서도 환경과 상호작용하며, 물체의 가치를 종합적으로 판단합니다. 저희 연구실에서는 촉각 감각을 통해서 들어오는 이러한 가치 정보가 기존에 알려진 시각과 연합된 가치 정보를 처리하는 뇌 부위와는 어떻게 다른지, 다르다면 이러한 두 서로 다른 가치 정보가 어느 부위에서 종합적으로 처리되어 최종적인 가치 판단까지 이르게 되는지를 연구하고, 이를 통해 저희 사람을 비롯한 영장류가 세상을 어떻게 대하고 행동하는지에 대한 좀 더 풍부한 신경과학적인 시선을 만들고자 합니다. 앞으로 영장류 촉각 연구는 물체의 인지, 가치, 의사결정 기전의 이해뿐만 아니라 인간의 사회 행동을 이해하는데도 많은 기여를 할 것으로 생각됩니다. □ 주요 논문 성과 1. Kang, J., Kim, H., Hwang, S.H., Han, M., Lee, S.-H., and Kim, H.F. (2021). Primate ventral striatum maintains neural representations of the value of previously rewarded objects for habitual seeking. Nat Commun, 1–13. 10.1038/s41467-021-22335-5. 2. Kim, H.F., Griggs, W.S., and Hikosaka, O. (2020). Long-Term Value Memory in the Primate Posterior Thalamus for Fast Automatic Action. Current Biology 30, 2901-2911.e3. 10.1016/j.cub.2020.05.047. 3. Kim, H.F., Amita, H., and Hikosaka, O. (2017). Indirect Pathway of Caudal Basal Ganglia for Rejection of Valueless Visual Objects. Neuron 94, 920-930.e3. 10.1016/j.neuron.2017.04.033. 4. Kim, H.F., Ghazizadeh, A., and Hikosaka, O. (2015). Dopamine Neurons Encoding Long-Term Memory of Object Value for Habitual Behavior. Cell 163, 1165–1175. 10.1016/j.cell.2015.10.063. 5. Hwang, S.H., Ra, Y., Paeng, S., and Kim, H.F. (2022). Motivational salience drives habitual gazes during value memory retention and facilitates relearning of forgotten value. iScience 25. 10.1016/j.isci.2022.105104. 6. Kim, H.F. (2021). Brain substrates for automatic retrieval of value memory in the primate basal ganglia. Mol Brain 14. 10.1186/s13041-021-00871-x.

서울대학교 뇌인지회로 연구실 (Cognitive Circuitry Laboratory, COCILA)

□ 연구책임자 및 구성원

(왼쪽에서 두번째) 김형 교수

- 교수 (연구책임자): 김형 (hfkim@snu.ac.kr, cocila.net)
- 연구원 : 김재민, 황성환, 이지우, 안신영, 박새리, 이건우, 이서연, 김윤혁

□ 연구실 개요
- 뇌인지회로 연구실
뇌를 그저 복잡하고 무질서한 유기체로 볼 수 있겠지만, 이 복잡해 보이는 뇌는 매우 정교한 회로들로 구성되어 있고 이 회로들을 통해서 특정 기능들을 하고 있습니다. 저희 연구실에서는 이 뇌 회로들을 영장류 동물모델을 이용해 연구하고 있습니다. 그중에서도 특히 학습과 기억에 관련된 회로를 뇌에서 동정하고 조절하여 그 기능을 밝히는 연구를 하고 있습니다. 저희 연구는 뇌 회로에 대한 이해뿐만 아니라 환자에게도 사용될 기술 개발에도 응용될 수 있습니다.

- 세계적인 영장류 뇌 연구 추세와 국내 영장류 뇌 연구소

인간 뇌의 이해는 기초과학적 측면뿐만 아니라, 공학적, 인문학적으로도 매우 중요한 주제입니다. 이를 위해서 중국, 일본, 미국 등 세계 여러 나라에서는 인간 뇌를 직접 이해하기 위한 연구를 시작했으며, 특히 중국은 2023년부터 ‘Big Brain Project’를 시작하여 5년간 한화 8,000억 규모의 예산을 들여 인간에게 직접적으로 적용 가능한 뇌 과학 지식을 획득하기 위해 영장류를 이용한 동물 연구에 돌입하여, 뇌에 대한 인지 행동, 뇌 신호분석 및 유전체 연구로 인간을 직접적으로 이해하고, 나아가 환자에게 직접 적용할 수 있는 지식 획득 기반을 마련하고 있습니다. 또한, 일본도 마모셋을 이용하여 유전체 연구에 집중하고 있으며, 미국도 빠르게 중국과 일본의 연구 추세에 발을 맞추고 있습니다. 한국에서는 현재 서울대학교와 성균관대학교, 그리고 국가영장류 센터에 뇌 연구를 진행할 수 있는 시설을 마련하여 환자 치료에 직접적으로 응용하여 도움을 줄 수 있는 지식을 창출하고자 노력하고 있습니다.

□ 주요 연구 내용
· 연구 주제 1 - 습관기억회로 메커니즘에 기반한 습관적 의사결정 연구
많은 뇌인지회로가 있겠지만, 그중에서도 저희 연구실은 학습과 기억에 관련된 뇌 회로를 연구하고 있습니다. 하지만, 학습과 기억에 관련된 회로들도 매우 많습니다. 저희는 이 중에서도 기저핵이라고 불리는 뇌 영역이 어떻게 암묵 기억을 저장하는지에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 기존의 기저핵은 운동을 조절하고, 이 부분이 고장 나면 헌팅톤병(무도병)이나 파킨슨병과 같은 뇌질환이 생긴다는 것이 잘 알려져 있습니다. 하지만, 이 기저핵은 단순히 운동기능을 조절하는 것뿐만 아니라, 물체 가치를 배우고 기억해서 습관행동으로 표출하는 기능을 한다는 것도 최근 연구들을 통해서 알려지게 되었습니다. 특히 저희 연구실에서는 이 기저핵과 연결된 회로들이 어떻게 암묵 기억을 저장하고 이 기억을 이용해서 습관 행동을 생성하는지에 대해서 연구하고 있습니다. 본 연구를 통해 습관을 형성, 저장 및 조절하는 영장류 뇌 회로를 규명하고, 이 습관 회로를 조절하여 영장류 습관 행동을 교정하는 연구를 진행하고 있습니다.

· 연구 주제 2 - 다중기억 인출 및 기억 선택 뇌 회로 연구

저희는 조현병의 환청, 망상, 혼란된 사고와 같은 증상을 기억 인출의 오작동 차원에서 이해하고자 다중 기억 인출 및 선택 과정의 메커니즘을 이해하기 위한 연구를 하고 있습니다. 특히 기억과 관련된 많은 영역 중, 변연계에 속하는 뇌 영역이 어떻게 여러 개의 기억 중 상황에 따른 적절한 기억을 선택해서 인출하는지에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 기억은 암묵 기억과 서술기억으로 나눌 수 있고, 이 두 기억은 뇌의 다른 영역에서 담당하고 있다는 것이 알려져 있습니다. 서술기억은 뇌의 변연계에서 처리가 되고 있으나, 영장류 변연계 뇌 회로에 대한 연구는 매우 미비한 실정입니다. 기존에는 기억과 관련하여 해마의 기능 중심으로 활발한 연구가 진행되었습니다. 하지만 최근 연구를 통해, 해마뿐만이 아니라 해마와 상호작용하는 인접 영역을 이해하는 것이 보다 정확한 이해를 위해 필요하다고 보고되었습니다. 기억 저장 및 인출과 관련된 영장류 해마를 포함한 변연계 회로의 기능을 규명하여 어떻게 상황에 맞는 기억을 인출하는지를 연구하고, 이를 통해 조현병 증상을 이해하여 관련 병리기전에 대한 지식을 창출하고자 합니다.

· 연구 주제 3 - 영장류 손끝 촉각을 이용한 가치기억 연구

영장류는 손을 이용한 촉각 정보를 적극적으로 활용하는 동물입니다. 저희는 그중에서도 손을 이용해서 들어오는 촉각 정보에 기반한 가치 정보가 뇌의 어떤 부위에서 처리되는지를 연구하고 있습니다. 기존의 신경과학 연구에서는 시각 정보를 통해 들어오는 가치 정보가 뇌에 어느 부위에서 표상되고 어떠한 회로를 통해서 처리되는지에 대한 연구가 주를 이루었습니다. 하지만 동물은 시각뿐만 아니라 다른 감각 기관을 통해서도 환경과 상호작용하며, 물체의 가치를 종합적으로 판단합니다. 저희 연구실에서는 촉각 감각을 통해서 들어오는 이러한 가치 정보가 기존에 알려진 시각과 연합된 가치 정보를 처리하는 뇌 부위와는 어떻게 다른지, 다르다면 이러한 두 서로 다른 가치 정보가 어느 부위에서 종합적으로 처리되어 최종적인 가치 판단까지 이르게 되는지를 연구하고, 이를 통해 저희 사람을 비롯한 영장류가 세상을 어떻게 대하고 행동하는지에 대한 좀 더 풍부한 신경과학적인 시선을 만들고자 합니다. 앞으로 영장류 촉각 연구는 물체의 인지, 가치, 의사결정 기전의 이해뿐만 아니라 인간의 사회 행동을 이해하는데도 많은 기여를 할 것으로 생각됩니다.

□ 주요 논문 성과

1. Kang, J., Kim, H., Hwang, S.H., Han, M., Lee, S.-H., and Kim, H.F. (2021). Primate ventral striatum maintains neural representations of the value of previously rewarded objects for habitual seeking. Nat Commun, 1–13. 10.1038/s41467-021-22335-5.

2. Kim, H.F., Griggs, W.S., and Hikosaka, O. (2020). Long-Term Value Memory in the Primate Posterior Thalamus for Fast Automatic Action. Current Biology 30, 2901-2911.e3. 10.1016/j.cub.2020.05.047.

3. Kim, H.F., Amita, H., and Hikosaka, O. (2017). Indirect Pathway of Caudal Basal Ganglia for Rejection of Valueless Visual Objects. Neuron 94, 920-930.e3. 10.1016/j.neuron.2017.04.033.

4. Kim, H.F., Ghazizadeh, A., and Hikosaka, O. (2015). Dopamine Neurons Encoding Long-Term Memory of Object Value for Habitual Behavior. Cell 163, 1165–1175. 10.1016/j.cell.2015.10.063.

5. Hwang, S.H., Ra, Y., Paeng, S., and Kim, H.F. (2022). Motivational salience drives habitual gazes during value memory retention and facilitates relearning of forgotten value. iScience 25. 10.1016/j.isci.2022.105104.

6. Kim, H.F. (2021). Brain substrates for automatic retrieval of value memory in the primate basal ganglia. Mol Brain 14. 10.1186/s13041-021-00871-x.

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