서울대학교 동기과학 연구실
MOTIVE LAB (Motivation and Obesity: Trans-species Investigation of Value and Eating)
□ 연구책임자 및 구성원
교수(연구책임자): 최형진
소속: 서울대학교 자연과학대학 뇌인지과학과, 의과대학 의과학과·해부학교실
이메일: hjchoi@snu.ac.kr | 홈페이지: https://fnmr.snu.ac.kr/
연구조교수: 이영희
박사후연구원: 천덕현, 김유빈, 최수정
대학원생: 정상호, 정윤교, 신주영, 신화윤, 백소린, 이설하, 민지선, 박시준, 이나영, 박준석, 김현형, 이윤진, 이태성, 이유민, 황보아름, 이동린, 노유빈, 노현영, 김휘영, 이동훈
랩매니저: 박민정 | 연구원: 박준호
총 27명(교수 1명, 연구조교수 1명, 박사후연구원 3명, 대학원생 20명, 랩매니저 1명, 연구원 1명)
□ 연구실 개요
서울대학교 동기과학 연구실(MOTIVE LAB)은 뇌가 식욕과 섭식행동을 조절하고, 신체의 대사 상태와 상호작용하는 원리를 연구합니다. 배고픔, 음식을 먹고 싶은 동기, 먹는 즐거움, 음식에 대한 기억과 예측이 어떤 신경세포와 회로에서 만들어지는지 밝히고, 이를 비만과 섭식 문제의 이해 및 치료에 연결하는 것이 연구실의 목표입니다. 복잡한 섭식 동기를 NMPU 모델의 심리 구성요소로 나누고, 각 요소에 대응하는 신경세포와 회로를 하나씩 규명하는 것이 연구의 중심 전략입니다.
연구책임자인 최형진 교수는 서울대학교 의과대학을 졸업하고 동 대학원에서 내과학 석사와 분자유전체의학 박사학위를 취득하였습니다. 내분비내과 의사로서 대사질환 환자를 진료하며, 건강에 해롭다는 것을 알면서도 특정 음식을 찾고 과식하게 되는 행동의 원인에 주목하였습니다. 이러한 임상적 질문을 바탕으로 2015년부터 서울대학교 의과대학 해부학교실에서 기초 신경과학 연구에 집중해 왔으며, 현재 자연과학대학 뇌인지과학과 교수로 재직하며 의과대학을 겸무하고 있습니다.
본 연구실은 설치류에서 신경회로의 인과적 기능을 규명하고, 비인간 영장류의 자연스러운 행동과 뇌영상으로 연구를 확장하며, 사람의 조직과 임상시험을 통해 인체 적용 가능성을 평가합니다. 또한 임상에서 관찰한 현상을 다시 동물모델에서 검증하는 역중개연구를 병행합니다. 뇌인지과학, 의과학, 중개의학 등 다양한 배경의 구성원들이 참여하며, 국가영장류센터와의 공동연구를 통해 동물실험과 사람 연구를 연결하고 있습니다.
그림 1. MOTIVE 연구실의 연구 범위. 설치류 신경회로 연구에서 비인간 영장류, 사람 조직, 임상시험으로 이어지는 중개연구와 임상 관찰을 동물모델에서 검증하는 역중개연구를 수행합니다.
□ 주요 연구 내용
본 연구실은 섭식행동을 음식을 찾고 선택하여 먹기 시작하고 멈추는 일련의 과정으로 분석합니다. 유전자 변형 동물모델, 광유전학·화학유전학, 실시간 칼슘 영상, 딥러닝 기반 행동분석과 계산모델을 결합하여 각 과정의 신경학적 원리를 밝히고 있습니다.
그림 2. Need-Motivation-Pleasure-Utility NMPU 모델. 각각 심리요인을 담당하는 신경생물학적 요인들을 발굴하는 연구를 수행 중.
1. NMPU 모델과 Need 및 Motivation의 신경회로
본 연구실은 동기 행동을 Need–Motivation–Pleasure–Utility(NMPU)의 네 구성요소로 설명하는 통합 이론을 제안하였습니다(BioEssays, 2024). Need는 예측된 결핍을 알리는 신호, Motivation은 행동을 직접 유발하고 지속시키는 동기, Pleasure는 행동의 즉각적 결과에 대한 즐거움, Utility는 영양 공급처럼 지연되어 나타나는 결과의 효용을 뜻합니다. 이 모델에서 Pleasure와 Utility는 경험을 통해 현재와 미래의 행동을 조정하는 학습 신호로 작용합니다. 본 연구실은 이러한 심리적 기능을 실험적으로 분리하고, 이를 담당하는 신경세포와 회로를 규명해 가고 있습니다.
NMPU 모델의 Need와 Motivation을 구분하기 위해 생쥐의 자연스러운 섭식행동과 신경활성을 분석하였습니다. 먼저 lateral hypothalamic area(LHA)의 leptin receptor(LepR) 발현 신경세포에서 음식 탐색과 섭취에 각각 관여하는 세포군을 확인하고, 이들의 활성이 배고픔 신호인 NPY에 의해 조절됨을 밝혔습니다(Nature Communications, 2023). 이어 계산모델과 신경활성 측정, 광유전학적 조절을 결합하여 arcuate hypothalamus(ARC) AgRP 신경세포는 Need를, LHA LepR 신경세포는 Motivation을 부호화한다는 근거를 제시하였습니다(Science Advances, 2024). 이처럼 연구실의 논문들은 NMPU 모델의 구성요소를 구체적인 신경세포 집단과 연결하며, 생리적 필요가 행동 동기로 전환되는 원리를 밝히고 있습니다.
그림 3. GLP-1 비만치료제의 작용 기전과 관련 신경 회로. 섭취 전 포만감 신경, 배고픔 신경, 식욕 신경의 연결 회로
2. GLP-1 비만치료제와 섭취 전 포만감의 작동 원리
음식을 인지하고 곧 먹을 것을 예상하는 단계에서도 섭식을 억제하는 신호가 형성됩니다. 본 연구실은 비만 환자에서 GLP-1 수용체 작용제 투여 후 ‘섭취 전 포만감(preingestive satiation)’이 증가함을 관찰하고, 사람과 생쥐의 뇌조직 분석을 통해 dorsomedial hypothalamus(DMH)의 GLP-1 receptor(GLP-1R) 신경세포에 주목하였습니다. 생쥐에서 신경활성을 관찰하고 조절하여 이 신경세포가 섭취 전 포만감을 부호화하며, ARC AgRP 신경회로와 상호작용하여 음식 섭취를 조절하는 기전을 밝혔습니다(Science, 2024). NMPU 모델의 관점에서 이 성과는 음식에 대한 예측(Prediction)이 Need를 갱신하고 섭식을 조절하는 과정의 신경학적 근거로 이해할 수 있습니다. 환자에서 관찰한 약물 반응과 동물모델의 신경회로를 연결함으로써 비만치료제의 뇌 작용 원리를 설명하고 있습니다.
3. 비인간 영장류의 자연스러운 섭식행동 연구
설치류에서 발견한 섭식 조절 원리가 사람과 가까운 영장류에서도 작동하는지 검증하는 것은 중개연구의 중요한 단계입니다. 본 연구실은 국가영장류센터 등과의 공동연구를 통해 마카크 원숭이의 lateral hypothalamic area(LHA) GABA 신경세포를 화학유전학적으로 활성화하고, 자유롭게 움직이는 환경에서 음식에 접근하고 획득하는 행동을 분석하였습니다. 그 결과 기호성이 높은 음식에 대한 동기와 목표지향적 섭식행동이 증가함을 확인하였습니다. PET, 자기공명분광법 및 기능적 자기공명영상 분석을 함께 수행하여 신경세포 활성화와 뇌 영역 간 기능적 연결성 변화를 평가하였습니다(Neuron, 2024). 이 연구는 외측 시상하부의 음식 동기 조절 기능을 영장류에서 검증한 것으로, NMPU 모델의 Motivation 축을 종간 비교하고 사람 연구로 확장하는 근거가 됩니다.
4. 음식 선호와 혐오를 형성하는 학습 회로
음식에 대한 선호와 회피는 과거의 즐거운 경험과 불쾌한 경험을 통해 형성됩니다. 본 연구실은 nucleus accumbens(NAc)의 보상 회로와 central amygdala(CeA)의 혐오 회로를 중심으로, 이러한 경험이 기억과 음식 선택을 바꾸는 과정을 연구하고 있습니다. 이는 NMPU 모델의 Pleasure와 Utility가 이후의 Motivation에 미치는 영향을 이해하기 위한 후속 연구로, 각 구성요소의 신경학적 기반과 상호작용을 규명하는 방향으로 진행하고 있습니다.
5. 사람의 섭식 특성에 기반한 맞춤형 치료 연구
사람 대상 연구에서는 건강 자원자와 비만·섭식장애 환자의 행동, 인지, 정서적 특성을 평가하고 치료 반응과의 관계를 연구합니다. 설문과 인지과제, 뇌영상, 가상현실, 연속혈당측정 및 디지털 행동 자료를 활용하여 개인별 섭식 특성을 구체화하고 있습니다. 이를 바탕으로 약물치료와 함께 디지털 치료, 경두개 전기자극과 같은 신경조절 방법의 가능성을 임상시험에서 평가합니다. 동물모델에서 규명한 기전을 사람의 행동과 연결하고, 임상에서 얻은 질문을 다시 기초연구로 되돌려 검증함으로써 개인의 섭식 특성에 적합한 치료 전략을 개발하고자 합니다.
추가 연구: 장신경계의 3차원 구조 분석
조직 투명화와 인공지능 기반 3차원 영상분석을 결합하여 사람의 장신경계를 시각화하고 정량화하는 분석법을 개발하였습니다. 이를 장질환에서 나타나는 신경 구조의 변화와 병태생리 분석에 활용하고 있습니다(Theranostics, 2025).
□ 주요 논문성과 (5개 내외)
아래 1–6번 논문은 모두 최형진 교수가 최종 공동교신저자로 참여한 연구입니다.
1. Kim KS, et al. GLP-1 increases preingestive satiation via hypothalamic circuits in mice and humans. Science. 2024;385(6707):438–446. https://doi.org/10.1126/science.adj2537
2. Ha LJ, et al. Hypothalamic neuronal activation in non-human primates drives naturalistic goal-directed eating behavior. Neuron. 2024;112(13):2218–2230.e6.
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.03.029
3. Lee YH, et al. Lateral hypothalamic leptin receptor neurons drive hunger-gated food-seeking and consummatory behaviours in male mice. Nature Communications. 2023;14:1486. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37044-4
4. Kim KS, et al. A normative framework dissociates need and motivation in hypothalamic neurons. Science Advances. 2024;10(45):eado1820.
https://doi.org/10.1126/sciadv.ado1820
5. Kim YB, Lee YH, Park SJ, Choi HJ. A unified theoretical framework underlying the regulation of motivated behavior. BioEssays. 2024;46(11):e2400016.
https://doi.org/10.1002/bies.202400016
6. Yun YH, et al. AI-powered 3D pathology protocol enhances enteric nervous system visualization and quantification for clinical diagnostics. Theranostics. 2025;15(15):7440–7453. https://doi.org/10.7150/thno.112024
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