뇌의 각 부분이 '허브' 중심으로 정보교환

연세의대 박해정 교수, 사이언스지 요청 논문 게재

많은 사람들과 물류가 다른 지역으로 이동하기 편한 구조를 가진 공항을 허브 공항이라 한다. 국제적으로 유명한 허브 공항은 유럽, 아프리카로 가는 중간에 있는 두바이 국제공항, 유럽 각국의 지역공항으로 갈 수 있는 독일 프랑크푸르트 국제공항이 있고 우리나라의 인천공항도 동북아시아의 허브공항으로 발돋움하고 있다.

최근 한 국내 뇌과학자가 “인간의 뇌 역시 허브(Hub) 구조를 가져, 다양한 인지 기능을 수행하는 것이 가능하다”는 최신 뇌과학 연구동향을 정리하고 조망하는 논문을 발표해 주목받고 있다.

그 주인공은 연세대 의대 핵의학교실 박해정 교수.

그는 세계 3대 과학저널 중 하나인 사이언스지(Science)의 요청을 받아 책임저자로서 세계적인 뇌 과학자인 프리스턴 교수(유니버시티 칼리지 런던, UCL)와 함께 뇌 구조-기능 및 뇌 연결망 연구에 대한 종설(Review Article)논문을 신경과학분야 특집호에 11월 1일자로 발표했다.

종설논문이란　한 주제에 대해 해당 분야 전문가나 권위자가 기존의 연구결과를 종합하고 포괄적으로 평가해 의견이나 관점을 제시한 뒤 발표하는 논문종류의 한 형태다.

세브란스병원 관계자는 “국내 연구진이 연구결과를 사이언스와 같은 세계적 과학저널에 내는 경우는 최근 들어 늘어나는 추세이지만 종설을 요청받아 논문을 발표한 경우는 국내에서 아주 드문 경우”라고 전했다.

박해정 교수는 논문을 통해 사람의 뇌에서 일어나는 뇌 인지 기능은 다음 두 가지 단계에서 일어나는 신경활동들의 계층적 통합 과정으로 형성되어진다고 제시했다.

첫 번째는, 이웃한 신경들 간의 상호 작용을 통해 기초 뇌기능을 생성하는 지역적(Local, 부분적 수준)수준의 통합(Integration) 과정(가운데 이미지)과, 다른 하나는 보다 상위 단계에서 각 뇌 영역들 간의 상호 작용으로 인지 기능을 형성하는 Global 수준 (전체적 수준)의 통합 과정(오른쪽 이미지) 이다.

이러한 유기적인 통합과정은 뇌의 해부학적 연결망을 통해 구현되는데, 신경 활동 정보를 부분과 전체가 효율적인 통합이 되도록 우리의 해부학적 뇌 연결망이 설계되어 있다.

그 예로서, 뇌의 정보망도 리치클럽(Rich Club)이라고 하는 허브들을 중심으로 상호 연결돼 있는 해부학적 구조를 가지고 있다. 이를 통해 뇌의 각 부분이 허브와 허브의 연결을 통해 정보를 효율적으로 교환할 수 있게 된다.

이는 마치 전 세계 항공망이 허브공항을 거쳐 어느 지역 공항이든 효율적으로 이동할 수 있는 형태와 비슷하다.

박 교수는 “이러한 발견은 뇌를 부분적으로 분해해 세밀하게 연구하는 경향과는 달리 뇌를 전체적(wholistic)인 시스템으로 다룰 수 있게 되면서 가능하게 됐다”며 “이러한 경향은 인간 뇌의 연결망을 비침습적으로 추정할 수 있는 최신 뇌영상기술의 발전으로 두드러지게 되었다”고 말했다.

이러한 뇌 연결망 구조는 마치, 여러 도시들 간의 이동 시간을 최소화하기 위해서라면 각 도시들을 직접 연결 하는 도로를 놓아야 하지만 모든 도로를 건설하기에는 많은 비용이 들기 때문에 그 절충점으로 거점 도시를 거쳐 각 지역으로 가는 도로를 만드는 것과 같다.

이와 같은 뇌 연결망의 골격 구조에 대한 연구는 미국과 유럽에서 활발히 진행되고 있는 Human Connectome Project(휴먼 커넥톰 프로젝트)를 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 한편, 이론 뇌과학자들은 그 연결망에 흐르는 정보의 내용과 그 처리되는 방식, 그리고 신경에서 구현되는 방식에 집중한다.

한 예로 디지털방송에서 가장 많이 사용하는 압축 기법은 예측부호화 기술을 사용하고 있는데 우리 뇌도 그러한 예측부호화를 신경단위에서 구현한다는 이론이 유력하게 받아들여지고 있다.

박 교수는 “복잡한 정보 처리가 어떻게 신경이라는 간단한 기능에서 구현되는지를 계층 구조화된 뇌 연결망에서 설명하려는 연구도 활발히 진행되고 있다”며 “현재로는 단순화된 모형에 기반을 둔 네트워크 연구가 진행되고 있지만 앞으로 뇌의 작동 기전을 보다 깊이 이해하기 위해서는 뇌 연결망 내에서 작동하는 신경생물학적 모델과 이론뇌신경과학적 정보처리 이론이 주요한 주제로 연구되고 있다”고 전했다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부 뇌과학원천기술개발사업 연구비 지원을 받고 진행됐다.