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신정환
신정환(Jung Hwan Shin) 저자 이메일 보기
KAIST, 기초과학연구원, 현 서울대학교병원
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105 KB
  CV updated 2020-10-16 11:42
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Spatial organization of functional clusters representing reward and movement information in the striatal direct and indirect pathways

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

기저핵은 신경계에서 강화학습과 수의적인 운동에 핵심적인 역할을 하는 뇌 부위로 기저핵의 작동 기전을 잘 이해하는 것은 인지신경학 뿐만 아니라 기저핵의 이상을 보이는 수많은 신경질환들의 병태생리를 이해하는데 중요한 역할을 합니다. 기저핵의 작동 원리를 이해하는데 가장 중요한 진전이었던 고전적 모델 (Rate model)은 80년대 후반과 90년대 초에 확립되었습니다. 선조체 (striatum)를 구성하는 두 종류의 신경세포가 (D1R and D2R SPN) 각각 직접회로와 간접회로를 구성하고 있고, 이 두회로가 독립적인 연결구조를 가지며, 배타적인 기능을 보인다로 요약할 수 있습니다. 그러나, 생체 내 신경세포 특히, cell type, circuit specific 신경회로의 신호를 관찰할 수 있는 최근 기술의 개발로 인해, 기저핵의 고전적 모델로 설명될 수 없었던 실험적인 관찰들이 등장하였고, 기저핵 작동 기전 및 기저핵 질환을 이해하는 새로운 모델이 필요하게 되었습니다.

본 연구는, 2018년 한빛사에 소개된 논문 (https://www.nature.com/articles/s41467-017-02817-1)의 후속연구로 진행된 연구입니다. 2018년, 저는 선조체의 직접 및 간접회로가, 서로 양적인 차이가 있지만, 강화학습관련 정보와 운동 정보를 비슷한 패턴으로 부호화하는 것을 발견하였고, 상황(context)에 따라 고전적 모델에서 제안되었던 기능과 반대되는 기능을 수행할 수 있음을 보고 하였습니다. 그러나, 고전적 모델로 설명할 수 없는 복잡한 정보 부호화 패턴과 기능을 과연 어떻게 해석해야 하는가에 대해서는 뚜렷한 답을 제시하지 못했던 점이 한계였습니다. 관찰한 복잡한 encoding pattern을 설명하기 위해서는 두가지의 배타적인 기능을 가진 직접/간접회로의 조합으로는 불가능하고, 직접 및 간접회로 내부에 서로 다른 functional cluster들이 존재할 수밖에 없으며, 더 나아가 이러한 functional cluster가 spatial cluster를 이루고 있고, 이들이 서로 다른 기능의 cortico-striato-thalamic loop을 형성할 수 있겠다는 가설을 세우게 되었고, 그것을 부분적으로 입증한 결과가 이번에 출판되었습니다.

본 연구를 시작할 때, 제가 생각한 가설을 입증하는 연구들이 없었기에, 최초 보고를 목표로 열심히 실험을 하였던 기억이 납니다. 그런데 Sfn 등의 학회에서 제 가설과 관련된 실험결과들이 이미 나오고 제 실험이 중반을 넘어서는 시기에 관련 논문들이 출판되기도 하였습니다. 가슴이 철렁하면서도 앞으로 연구자 인생에 비일비재한 일이라고 마음을 다잡고, 경쟁 그룹 연구와 다른 제 연구의 장점을 찾기 위해 노력을 기울였던 것이 기억에 남습니다.

본 연구를 수행하면서 제 힘으로만 진행하기 어려운 중요한 분석이 크게 두가지가 있었는데, 이에 대해 동료 연구자의 큰 도움을 받아 수행할 수 있었습니다. 선조체에 존재하는 functional cluster의 공간적인 패턴을 입증하는 것은 본 연구의 핵심 주제였습니다. 다만, 공간적인 패턴이 있다는 점이 눈으로는 보였지만, 이를 수학적으로 검증하는 것이 참 어려웠습니다. 왜냐하면 패턴이 compact하게 존재한기 보다는 loose한 irregular shape으로 존재했기 때문이었습니다. 기존 연구들을 점검해봐도 이에 대해 만족할 만한 분석 방법이 제시된 바가 없었습니다.

그런데, 시각 피질 신경세포의 패턴에 대해 오랜 시간 연구해 오신 카이스트 바이오 뇌 공학과 백세범 교수님께서 이러한 공간적 패턴을 분석하는 방법에 대한 논문을 발표하셨고, 공동 연구로 같은 방법을 저희 연구에 접목하여 돌파할 수 있었습니다. 두번째로 Calcium signal을 extraction하는 algorithm이 이 연구에 핵심 분석 중에 하나였는데, Github로 코드만 받아 분석하다 보니 어려운 점이 많아, algorithm을 개발한 연구자 (Pengzhang zhou) 에게 연락하여 수차례 화상회의를 하였고, 부끄럽지만 코드 한줄, 한줄 화면 공유로 물어보고 도움을 받았던 것도 기억에 남습니다. 연구가 중간중간 장애에 부딪히고 어려움이 있을 때 동료 연구자에게 도움을 구할 수 있다는 게 얼마나 감사한 일인지 매번 경험하고, 저도 다른 연구자들에게 도움을 줄 수 있든 연구자가 되겠다고 항상 다짐합니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

저는 서울대학교병원 신경과에서 전공의 과정을 마치고 전문의를 취득한 이후 전문연구요원으로 KAIST 의과학대학원에서 박사과정을 마쳤습니다. 의과학대학원에서는 기초연구에 대한 관심이 있는 의사 출신 연구자들이 Full-time researcher로서 기초 연구에 대해 배우고 임상의 unmet need를 풀기 위한 연구를 수행하며, 현재 세계적인 성과를 내는 센터로 성장하였습니다. 저는 의과학대학원으로 입학하여 KAIST 생명과학과 정민환 교수님 랩 (https://sites.google.com/site/systemsneurolaboratory/)에서 연구를 수행하였습니다. 본 실험실은 가치판단과 행동선택을 관장하는 뇌의 부위와 작용과정에 대해 연구하며, prefrontal cortex, hippocampus, striatum의 다양한 뇌 부위를 전기생리학적인 single unit recording 혹은 in-vivo calcium imaging을 통해 데이터를 얻고 여러 computational modeling기법으로 행동 패턴과 신경신호를 분석하는 일을 주로 하고 있습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

저는 임상과 기초연구에 걸쳐 경험을 갖추고 있는 연구자라는 작은 자부심이 있습니다만, 그런 자부심 보다도 임상에 접목할 만한 성과를 얻기가 얼마나 힘들고 먼 길인지 알기에 겸허한 마음으로 한걸음, 한걸음 걸어가야 한다는 다짐을 합니다. 실제로 기초연구에서 나오는 수많은 연구들 (농담으로 쥐는 각종 난치성 질환을 다 치료하여 불로장생하게 만들수 있는거 아닌가 라는 우스갯소리도 합니다.) 중에 극히 일부만이 임상에 효과를 낼 수 있는 연구로 이어지기 때문입니다. 더불어, 임상과 기초연구를 동시에 수행하는 것이 참 어려운 일이지만, 부단히 고민하고 노력하고 있습니다. 제가 임상과 기초연구 어느 하나를 포기할 수 없는 이유는, 임상에서 환자분들을 만나는 시간은 환자분들에게 도움을 드리는 시간이기도 하지만, 반대로 환자분들의 고통을 직접 공감하면서 unmet need에 대한 영감을 얻고, 연구에 대한 원동력을 얻게 되는 감사한 시간이기 때문이고, 기초 연구는 한계에 봉착한 임상연구를 돌파할 수 있는 근본적인 해결 방안을 찾을 수 있기 때문입니다. 저는 궁극적으로는 환자에게 도움이 될 수 있는 의미 있고, 정직한 연구를 하기 위해 노력 중입니다.

4. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

앞으로 환자를 진료하면서 임상에서 환자의 진단과 치료에 대한 unmet need를 발견하고, 이를 해결하기 위한 기초연구를 수행하는 연구자로 성장하고 싶습니다. 현재는 정규시간에는 서울대병원 신경과에서 임상강사로 진료와 임상연구를 수행하고, 시간을 내어 KIST 커넥토믹스 연구단의 김진현 박사님 실험실에서 기초연구를 수행하고 있습니다. 추후에는 병원에 소속된 제 실험실을 꾸려서 진료와 기초연구를 병행하는 융합의학 연구를 하고자 하는 계획이 있습니다. 좀 더 구체적으로는 파킨슨병과 같은 신경퇴행성 질환의 진행과 합병증에 대한 comprehensive한 neural network study와 그것을 회복시킬 수 있는 medical 및 neurophysiological intervention에 대한 연구를 하고 싶습니다.

5. 다른 하시고 싶은 이야기들....

가장 먼저 저를 기초 연구를 할 수 있게 받아 주시고 가르쳐 주신 카이스트 생명과학과의 정민환 교수님께 감사드립니다. 또한, 학문을 하는 자세, 환자를 보는 자세에 대해 큰 가르침을 주시고, 관심사가 너무 많은 제자를 응원해주시면서 기초연구를 할 수 있도록 배려해주시는 서울대병원 신경과 전범석 교수님께 감사드립니다. 그리고 병원에서 임상과 임상연구에 대해 많은 가르침을 주시는 서울대병원 신경과 김한준, 이지영 교수님께도 감사드립니다. 그리고, 뜨내기 연구자를 넓은 마음으로 품어 주시고, 실험실 한 켠을 내어주고 계신 KIST 김진현 박사님께도 감사드립니다.

본 연구가 수행될 수 있도록 분석에 큰 도움을 주신 논문의 공저자인 KAIST 바이오 뇌공학과 백세범 교수님과 송민 선생님께 감사드립니다. 이 글을 볼 수 없겠지만, 수많은 화상회의와 원격 데스크탑으로 분석에 도움을 준 Columbia 대학에 Pengzhang zhou 박사님 감사드립니다. 저를 의과학대학원으로 이끌어 주시고 가르쳐 주신 임상과 기초 두분야의 선배인 김도형 선생님께도 깊이 감사드립니다. 대전에서 동고동락한 인연을 이어 지금도 든든한 벗인 이충근, 노태욱, 이슬기 박사, 그리고 서울대병원 동기인 정희원, 최원묵 교수에게도 감사드립니다. 그리고, 초심을 잃지 않도록 격려와 응원을 보내주는 서울대병원 핵의학과 최홍윤 교수에게도 항상 감사하다는 인사를 전하고 싶습니다.

가까이 그리고 멀리서 아껴 주시고, 격려해주시는 순천 부모님, 서울 부모님께 감사드립니다. 마지막으로, 기쁨만 주는 착하고 순한 아들 재원이와 저를 항상 묵묵히 응원해주고 자존감을 채워주는 존경하는 강민경 교수님께 깊은 감사와 사랑의 마음을 전합니다.

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Category: Neuroscience
등록일 2020-10-27
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