IBS 뇌과학이미징연구단
Date 2019-04-09 14:44:25 페이스북으로 보내기 트위터로 보내기 hit 150
김성기
연구단장
IBS 뇌과학이미징연구단
seonggikim@skku.edu


연구단 개요


뇌과학이미징연구단(Center for Neuroscience Imaging Research, CNIR)은 기초과학연구원 외부연구단으로 2013년 7월에 성균관대학교에서 유치하여 설립되었으며 최적의 연구환경 조성을 위해 지상 8층, 지하 2층, 연면적 2만7570㎡ 규모의 IBS 연구단 건물 ‘N센터’를 2015년 9월에 준공하였다. 본 연구단은 최첨단 뉴로이미징기술을 기반으로 세포, 조직, 시스템 수준에서 다양한 뉴로이미징을 통해 기능하는 뇌의 전반적 기전 규명을 목표로 신경생물학, 생물리학, 생화학, 계산 신경과학, 시스템 신경과학, 심리학 등 다양한 학문분야를 아우르는 총 4개의 다학제적 융합연구팀을 구성하여 해부학적, 물리적, 기능적 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI) 기법 개발, 뇌신경혈류시스템 및 조절 메커니즘 이해를 위한 새로운 기법 개발, 소동물 및 영장류에서의 지각 및 인지 상태를 위한 신경부호 연구, 기능적 뇌이미징과 계산방법을 이용한 인간의 지각, 인지 및 정서이해를 위한 뇌 기전 연구 등을 수행 중에 있다.

 

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연구 배경


뇌 연구는 미국, EU, 일본 등 주요 선진국들이 집중 지원하고 있는 분야로 특히, 급속한 고령화 사회 진입으로 뇌신경질환의 예방 및 치료를 위한 핵심기술 개발의 필요성이 대두되고 있다. 뇌과학 및 뇌영상 연구 분야는 생명공학기술, 정보통신기술, 나노기술 등 이종기술간 융합이 절대적으로 필요한 다학제 분야로서 아직 규명되지 않은 뇌 질환 기전 및 치료법 개발을 위해서는 폭넓은 범주의 시스템 신경과학 연구가 필요하다. 따라서, 뇌과학이미징연구단은 마우스, 영장류, 인간에 이르는 다종(multispecies) 및 다중스케일(multiscale) 이미징 기반의 접근 방식을 사용하여 세포 수준의 연구에서부터 인지 신경과학·임상의학에 이르기까지 신경과학의 전반적 연구를 집적된 인프라를 갖추고 하나의 센터에서 수행하는 국내 유일의 연구센터이다. 이러한 연구 인프라와 MRI를 종을 아우르는 공통 플랫폼을 사용하여 중개 영향을 극대화할 수 있는 접근법은 단일 실험실에서 단독으로 달성할 수 없을 뿐만 아니라 세계 어느 연구소에서도 존재하지 않는 독창적인 방법으로 아시아의 뉴로이미징 연구 거점으로 자리매김함과 동시에 뇌과학 분야에서의 세계적 기술 경쟁력 제고를 위한 역량 강화에 중점을 두고 연구를 진행 중에 있다.

 

 

연구 분야

 

뇌과학이미징연구단은 첨단 MR 뇌과학이미징팀, 신경혈관 이미징팀, 기능성 신경회로팀, 인간 뇌과학이미징팀 등 총 4개의 연구팀으로 구성되어있다. 첨단 MR 뇌과학이미징팀은 기능적 자기공명영상(functional MRI, fMRI) 신호의 생물물리학적 원리 연구, 초고자장 (ultrahigh field) MRI 기법 개발 및 물리적 특성 연구, 고속 MRI 시퀀스 개발 등을 목표로 포도당 흡수와 대사를 측정하는 화학적 교환기반 MRI 연구, 광유전학적 기술을 사용하여 fMRI 신호 기초 연구, 초고자장 MRI 기반 뇌조직 미세구조 연구, 초고자장 이미징에 적합한 새로운 펄스연쇄 기술 개발 등의 연구를 수행 중에 있다. 특히, 초고자장 MRI 기반 뇌조직 미세구조 연구는 건강한 사람과 환자 또는 노인에게서 발견되는 뇌 수초화(brain myelination)를 연구에 유용할 수 있는 혁신적 기술이 될 것으로 기대된다.
신경혈관 이미징팀은 새로운 광학 기법 기반 신경혈관이미징 개발, 신경혈관 프로세스 조절을 위한 새로운 생체재료개발, 정상 및 질환을 갖는 뇌의 신경혈관연접 기능 연구 등을 목표로 하며, 거시적 MRI 스케일과 미시적 신경세포 스케일의 가교 역할을 하는 신경혈관접합 연구를 정상 뇌와 다양한 질병 모델 신경혈관 내에 적용할 경우 뇌의 기본 기능을 이해할 뿐만 아니라 인간용 MRI 측정 결과 해석의 개선에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
기능성 신경회로팀은 청각인지 신경메커니즘 연구, 감각 운동 처리의 인지 제어 연구를 목표로 전기생리학과 기능성 뇌과학이미징 기법과 최첨단 계산모델링을 결합하여 주의 집중 기능성 신경회로 연구, 행동하는 쥐의 청각 및 움직임이 청각을 저해함을 나타내는 연구 등이 진행 중에 있으며 이러한 연구는 시스템 수준의 전체 뇌 매핑과 세포 단위 연구 간의 간극을 채우는 데 필수적인 연구로 특히, 비인간 영장류 연구에 관한 전문성과 자원은 세계적으로도 독특한 자산으로 인간 신경과학연구와 연계하는 데 있어 큰 기여를 할 것으로 예상된다.
인간 뇌과학이미징팀은 시각 및 인지 기전 연구, 통증 및 감성 이해를 위한 기전 연구 및 기계학습 기법 기반 바이오마커(biomarkers) 개발 등을 목표로 뇌가 지각 및 인지 경험을 생성하는 내부 모델을 어떤 방식으로 구축하는지에 대한 신경 메커니즘 연구, fMRI와 기계학습 기법을 활용한 통증 측정 및 분석, 뇌과학이미징 데이터에서 정보 추출 및 분석 등을 수행 중에 있다. 이러한 연구는 인간 뇌의 메커니즘과 고차원 인지 및 정서적 처리과정의 기저를 규명함으로써 즉각적으로 임상 적용으로 이행될 수 있는 핵심기술로 인간 의식에 있어 엄청난 시사점을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

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그림 1. 연구팀 구성 및 팀별 연구목표

 

 

연구단 인프라 및 활용


뇌과학이미징연구단은 최첨단 동물 및 휴먼용 MRI 장비, 초고속 광학장비, 소동물(마우스), 비인간 영장류(Nonhuman primate, NHP) 시설이 집적된 세계적인 뇌과학이미징 MRI 연구센터로서 다종실험 및 다중스케일의 이미징이 가능한 시스템을 구축하였다. 아울러, 본 장비 및 시설은 연구단 내뿐만 아니라 외부의 타 기관 연구자들이 사용할 수 있도록 공동활용을 실시하고 있으며, 현재 국내외 연구자들이 활발하게 활용함으로써 국내 뇌연구 허브 역할에 일익을 담당하고 있다.

 

 

연구용 최첨단 고자장 MRI 장비


본 센터는 최첨단 동물용 9.4T, 15.2T MRI (Bruker사) 및 휴먼용 3T, 7T MRI (Siemens사) 등 총 4대의 MRI 장비를 구축하였다. 동물용 MRI는 소동물 및 중동물의 해부학적, 기능적 영상뿐만 아니라 혈관, 확산 영상 획득이 가능하며 특히 15.2T MRI 장비는 현재 세계에서 사용되는 네 개 중 하나로 초고자장 MRI 장비로 희소성을 가지고 있다. 또한, 휴먼용 3T MRI 장비는 뇌연구에 적합하게 개발된 Siemens사 Prisma로 국내에서는 최초로 도입하였으며 휴먼용 7T MRI 장비는 아시아 최초로 FDA 승인을 받아 설치하였다. 이들 MRI 장비들은 해부학적, 생리학적, 기능적 MRI 개발 및 응용을 통한 세계적인 MRI 기술 개발에 매우 중요한 인프라로서 과학적 전문성 실현에 크게 기여할 것으로 예상된다.

 

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그림 2. MRI 장비 및 획득 영상 (마우스와 인간의 해부학적, 기능적 MRI 및 확산 영상) 예제

 

 

광학장비


본 센터는 살아있는 동물의 뇌로부터 마이크로미터(μm) 단위의 신경세포 돌기 형태의 변화와 신경세포 내 물질이동 측정이 가능한 다광자 공초점 현미경(Multiphoton Confocal Microscope), 살아있는 세포 및 조직을 형광물질로 염색하여 세포내 신호전달물질의 실시간 분석이나 세포 내에서 발현된 단백질의 분석 및 이미지 획득이 가능한 수퍼해상도 공초점 현미경(Super Resolution Confocal Microscope), 마우스 동물의 뇌 전체에 분포하는 형광 발현 연구와 여러 절편의 뇌조직 뿐만 아니라 한 장의 이미징이 가능한 대형스케일 수퍼줌 공초점 현미경(Large Scale Superzoom Confocal Microscope) 등 초고속, 초고감도 광학장비들을 구축하였다. 이들 장비는 형태학, 세포학, 신경학 등 생물 및 생화학 등 전반적인 분야의 연구에 유용하게 활용이 가능하다.

 

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그림 3. MRI 장비 및 획득 영상 예제

 

 

공동활용


본 센터는 최첨단 장비 및 연구시설의 공동활용 실시를 통해 뇌연구 관련 자원연계 활성화를 도모하고있다. MRI 및 현미경 주요 장비 6건은 외부 이용 시스템을 구축하여 연구단 웹사이트(https://cnir.ibs.re.kr) 게재 및 홍보를 통해 장비 활용에 대한 다양한 정보를 공유하고, 외부활용 시 전문인력의 서비스를 함께 제공하고 있다. 나머지 시설과 장비들은(예를 들어 영장류 뇌과학 연구시설 및 신경생리학 장비) 공동연구에 활용함으로써 고가 장비의 활용을 극대화 하고있다. 아울러 관련연구에 관심이 있는 연구자는 장비 담당 전문가나 교수와 상시 도움을 받을 수 있도록 하여 공동연구를 장려하고있다.

 

표 1. 공동활용 장비

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