KAIST(총장 신성철)는 조광현 바이오및뇌공학과 교수 연구팀이 뇌 영역간 복잡한 연결 네트워크에 내재된 뇌의 제어구조를 규명했다고 10일 밝혔다.

뇌의 다양한 인지기능은 뇌 영역들 사이의 복잡한 연결을 통한 영역 간 상호작용으로 이뤄진다. 최근 뇌의 연결성 정보가 뇌의 동작 원리를 파악하는 핵심으로 대두되며 뇌 연결성을 파악하기 위한 커넥톰 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

이를 통해 뇌 영역 사이의 구체적 연결성이 파악되고 있지만 복잡한 연결성에 내재된 뇌의 동작 원리에 대한 이해는 아직 많이 부족한 상황이다. 특히 뇌의 강건하면서 효율적 정보처리 능력의 기반이 되는 뇌의 숨겨진 제어구조는 파악된 내용이 없다.

조 교수 연구팀은 뇌의 제어구조 분석을 위해 '미국립보건원(NIH) 휴먼 커넥톰(뇌 회로도) 프로젝트'에서 제공하는 정상인의 뇌 영상 이미지를 활용해 뇌 영역간 네트워크를 구축했다. 이후 그래프 이론의 최소지배집합((minimum dominating set) 개념을 활용해 뇌 영역 간 복잡한 연결 네트워크의 제어구조를 분석했다.

최소지배집합은 네트워크의 각 노드(뇌의 각 영역)가 링크(뇌의 서로 다른 영역간의 연결)로 연결된 이웃 노드에 직접적 영향을 줘 기능을 제어할 수 있다고 가정할 때, 노드를 제어하는 데 필요한 최소한의 노드 집합을 이른다. 여러 연구를 통해 생체 네트워크와 통신망, 전력망 등 복잡계 네트워크를 제어하는데 최소지배집합이 핵심적인 역할을 하는 것으로 보고된 바 있다.

연구팀은 최소지배집합을 기반으로 '제어영역의 분포'와 '제어영역의 중첩' 두가지 지표를 정의한 뒤 이를 기준으로 총 네 종류의 제어구조를 정의했다.

이후 연구팀은 브레인 네트워크를 비롯해 도로망, 통신망, 소셜 네트워크 등 실존하는 다양한 복잡계 네트워크가 어떤 제어구조를 갖는지 분석했다.

그 결과 뇌는 다른 대부분 네트워크와 달리 제어영역이 분산된 동시에 서로 중첩된 특이한 구조로 이뤄짐을 확인했다. 또 뇌의 제어구조는 외부 작용에 네트워크의 높은 강건성을 유지하면서 여러 인지기능을 효율적으로 수행하기 위해 영역들의 상호 활성화를 다양하게 하고 있음을 밝혀냈다.

연구팀의 성과는 IT와 BT가 융합된 시스템생물학 기반의 브레인 네트워크 구조분석으로 인공지능 발전에도 기여할 것으로 기대된다.

조 교수는 "지금까지 뇌의 제어구조가 밝혀진 바가 없었다"라며 "복잡한 연결성에 숨겨진 브레인 네트워크의 진화적 설계원리를 시스템생물학 연구를 통해 찾아냄으로써 뇌의 동작 원리를 파악할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구에는 이병욱 박사, 강의룡, 장홍준 박사과정생이 참여했으며 성과는 셀 출판사가 발간하는 학술지 '아이사이언스(iScience)'에 지난달 29일 게재됐다.