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폭염이 노년기 인지기능에 미치는
부정적 영향 규명

부유한 지역보다 빈곤한 지역의 노인들에게 더욱 치명적인 영향 끼쳐
노년사회학에 새로운 융합적 시각 제시

사회학과 이해나 교수

사회학과 이해나 교수

폭염이 노년기 인지기능에 미치는 부정적 영향 규명

성균관대의 이해나 교수와 미국 뉴욕대(New York University) 세계공중보건대학원 연구팀(최은영 박사·버지니아 장 교수)이 폭염의 노출이 늘어날수록 빈곤층 노인과 같은 사회 취약계층의 인지능력이 부유층보다 더 빠르게 저하된다는 연구 결과를 발표했다. 이해나 교수 연구팀은 영국의학저널(British Medical Journal)의 공공보건 국제 학술지인 Journal of Epidemiology and Community Health(IF: 6.3; 공공보건 분야 상위 8%)에 이와 같은 결과를 발표했다. 미국에서는 날씨로 인한 주요 사망 원인으로 폭염이 꼽히며, 허리케인·토네이도·번개를 합친 것보다 폭염으로 인한 사망자가 많다. 특히 노인은 노화로 인한 신체변화로 인해 온열 질환에 약하다. 그간 연구에서 폭염에 노출되는 빈도가 증가될수록 노인의 신체 건강에 부정적인 영향을 미친다고 밝혀 왔지만, 무더위가 인지 기능에 미치는 장기적 영향은 알려진 게 적다. 이 문제를 근본적으로 해결하기 위해, 이해나 교수 연구팀은 미시간대 사회연구소(University of Michigan ISR)가 2006~2018년 52세 이상 미국 성인 9500여명을 대상으로 실시한 Health and Retirement Study 데이터와, 같은 기간 발생한 폭염 빅데이터를 통합해 분석했다. 미국 질병통제예방센터(CDC)의 전국 환경 공중보건 추적 네트워크의 데이터를 통해 참가자들의 누적 폭염 노출량을 계산하고 같은 기간 이들의 인지 기능 변화와 거주지역의 사회경제적 지표도 파악했다. 분석 결과, 폭염에 노출되는 빈도가 높을수록 가난한 지역 거주자의 인지 능력이 부유한 지역 거주자들보다 더 빨리 저하되는 것으로 나타났다. 또한 폭염 노출로 인한 인지 기능 저하는 흑인 노인층이 백인이나 히스패닉 노인층보다 더 큰 것으로 조사됐다. 이러한 현상은 주로 부유한 지역과 가난한 지역 간에 무더위를 완화할 수 있는 복지시설과 건축 환경이 다르기 때문으로 나타날 수 있다. 부유한 지역에서는 잘 관리된 녹지 공간, 에어컨, 그리고 햇빛으로부터 피할 수 있는 무더위 쉼터와 같은 시설이 잘 갖쳐줘 있지만, 반면 가난한 지역에서는 이러한 시설이 부족한 경우가 많기 때문이다. 본 연구는 점점 더 올라가는 기온에 대비해 고위험 지역 사회를 찾아내 정책적으로 지원하는 제도가 필요함을 제시한다. 폭염 취약계층에 대한 심층적 분석을 실시함으로써, 폭염과 노인건강 연구의 다각화를 도출했다는 데에 의의가 있다. 환경 빅데이터와 미국 전국 노인 패널조사를 병합함으로써 특정 병원이나 지역에 한정된 이전 연구들의 한계를 극복하고, 노년사회학에 새로운 융합적 시각을 제시하였다. 논문명: Cumulative exposure to extreme heat and trajectories of cognitive decline among older adults in the USA •저널: Journal of Epidemiology and Community Health •저자명: 이해나(공동 1저자), Eunyoung Choi(공동 1저자), Virginia Chang(공동저자) •DOI: http://dx.doi.org/10.1136/jech-2023-220675
- No. 240
- 2023-09-26
- 713
생명물리학과 김인기 교수 ·김양규, Aleksandr Barulin 연구원

메타표면 칩 기반 세포 모니터링 기술 개발

생명물리학과 김인기 교수 연구팀(공동저자: 김양규, Aleksandr Barulin 박사)은 하버드 의대 루크 리 교수, 포항공대 노준석 교수 및 서울시립대 최인희 교수팀과 공동 연구를 통해 메타표면 칩을 통해 실시간으로 세포를 모니터링 할 수 있는 초분광 이미징 기술을 개발했다. 초분광 이미징(Hyperspectral imaging) 기술이란 현미경을 통해 사물의 모양과 사물의 분광 신호를 동시에 관찰하는 기술이다. 이를 통해 사물을 관찰하게 되면 사물의 위치 정보와 화학물질에 대한 시공간적 정보를 동시에 얻을 수 있다. 세포 안에서 일어나는 다양한 생명현상과 직간접적으로 관련된 화학물질을 세포 안 또는 밖에서 실시간으로 탐지하고 모니터링하는 기술은 각종 질병의 조기 진단 및 치료제 개발을 가능하게 하는 핵심 기술로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 플라즈몬 공명 에너지 전달 현상(Plasmonic resonance energy transfer, PRET)을 통해 표적화학물질의 분자 지문을 비표지 방식으로 검출할 수 있는 기술을 개발했다. PRET 기반의 센서 기술은 빛 에너지를 산란시키는 물체와 그 에너지를 흡수하는 물체 사이의 에너지 전달 현상을 통해, 빛을 흡수하는 물체의 화학 정보를 알아낼 수 있다. 하지만 기존의 나노입자 탐침 기반의 PRET 센서는 나노입자의 제한된 산란 특성으로 인해 한 번에 하나의 분자만 측정할 수 있고, 세포와 세포 사이에서 일어나는 물질 전달을 실시간으로 모니터링하기 어려운 단점이 존재했다. 또한 세포의 시공간적 변화를 정확하게 실시간으로 모니터링을 하기 위해서는 좀 더 정밀한 칩 형태의 디바이스 구현이 요구된다. 연구진은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학 소자인 메타표면을 활용해 초분광 이미징 및 멀티플렉싱 센서 기술을 개발했다. 메타표면은 빛 파장보다 작은 패턴을 이용해 만든 2차원 박막 구조를 뜻한다. 메타표면 칩은 빛의 산란 특성을 자유자재로 조절할 수 있고, 이를 이용해 가시광선 영역에서 원하는 파장의 빛만을 산란시키는 광소자를 구현하였다. 연구팀은 동물 및 식물세포의 신진대사에 중요한 역할을 하는 시토크롬(Cytochrome) 및 클로로필(Chlorophyll)과 같은 서로 다른 종류의 분자들을 메타표면 칩을 통해 한 번에 검출할 수 있음을 확인했다. 시토크롬은 전자전달계에 관여하는 단백질로 세포의 건강 상태를 판별할 인자로 사용되고, 클로로필의 경우에는 식물세포에서 광합성에 관여하는 빛 에너지를 흡수하는 안테나 역할을 한다. 더 나아가 연구팀은 이 메타표면 칩을 통해 살아있는 세포에서 분비되는 활성산소를 실시간으로 검출할 수 있는 기술 또한 선보였다. 메타표면 칩 위에 정상세포, 암세포 및 약물처리가 된 암세포를 키우고, 각 세포에서 나오는 활성산소를 비표지 방식으로 모니터링 할 수 있는 기술을 개발하였다. 1시간 동안 세포의 동일한 위치에서 나오는 활성산소의 양을 모니터링하며, 약물처리된 암세포-일반 암세포-정상세포 순으로 활성산소가 많이 분비되는 것을 관찰할 수 있었다. 이 기술은 향후 약물 스크리닝 플랫폼으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구를 통해 구현된 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술은 세포 내의 다양한 화학물질을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 세포 간 커뮤니케이션에 사용되는 세포 분비물을 실시간으로 모니터링 할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 국제학술지인 Advanced Materials(IF = 32.086)에 8월 10일 정식 출판되었고, 연구의 우수성을 입증받아 해당 호 표지논문으로 선정되었다. 본 연구는 미래유망융합기술 파이오니어 사업, 선도연구센터, 중견연구자지원 사업 및 세종과학펠로우십 사업 등을 통하여 수행되었다. ▲ 그림1. 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술 모식도 ▲ 그림4. Advanced Materials 표지논문
- No. 239
- 2023-09-14
- 2680
생명과학과 배용수 교수 ·강명호 연구원

강력한 항암면역의 새로운 수지상세포 발견

성균관대학교(총장 유지범) 생명과학과 배용수 교수 연구팀은 종양성장을 효과적으로 억제할 수 있는 면역원성이 강화된 수지상세포가 인터류킨-33에 의해 새롭게 분화됨을 발견하고 그 분화기전을 규명했다고 밝혔다. ※논문명: Discovery of highly immunogenic spleen-resident FCGR3+CD103+ cDC1s differentiated by IL-33-primed ST2+ basophils ※저자명: 배 용 수 (교신저자), 강 명 호 (제1저자) 수지상세포는 병원체 또는 외부항원을 포획한 뒤, T 세포에 항원을 제시하여 항원 특이적 면역반응을 유도하는 강력한 항원제시세포이다. 수지상세포 중에서도 제1형 수지상세포*(이하 cDC1)가 세포독성 T 임파구의 활성을 효과적으로 유도하는 것으로 잘 알려져 있다. 이러한 특징으로 인해 수지상세포는 오랜 기간 항암 세포치료제로의 개발 가능성을 두고 연구되어 왔다. 그러나 실제 임상에서 기대만큼 항암면역 유도능이 높지 않아 지금까지도 면역원성을 높이는 것이 과제로 남아있다. * 제1형 수지상세포 : 세포독성 T 세포 활성을 높이는 수지상세포 아군 인터류킨-33은 조직손상 시 손상부위 회복을 위해 분비되는 사이토카인으로 암성장에 대해서는 오랫동안 상반된 연구결과가 보고되어 왔다. 이런 가운데 최근 IL-33 이 cDC1을 매개로 항종양면역반응을 유도한다는 연구가 발표되었다. 그러나 인터류킨-33의 자극을 받은 cDC1의 특성 및 분화기전에 대해서는 전혀 알려진 바가 없어 이를 규명한다면 면역원성이 강화된 새로운 수지상세포 암백신으로 개발이 가능할 것으로 예상하였다. 연구팀은 인터류킨-33을 직접 생쥐에 투여하여 체내에서 분화된 수지상세포와 인터류킨-33을 이용하여 실험실에서 분화시킨 수지상세포의 여러 가지 특성이 유사하며 유세포분석, 전사체 분석 등을 통해 면역원성의 증가, 세포독성 T 세포 유도능의 증가 및 항종양면역반응 촉진 효과 등이 동일함을 검증하였다. 이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 실험실 분화과정에서 인터류킨-33이 수지상세포 분화에 직접 작용하지 않고 수지상세포와 함께 존재하는 호염구 (basophil)를 자극하여 특정 분화인자들을 분비하게 하고 이 인자들이 고 시간차를 두고 면역원성 cDC1의 분화를 주도한다는 새로운 기전을 규명하였다. 또한 마우스 수지상세포 뿐 아니라 유사한 기전으로 인체 단핵구 유래 수지상세포 암백신의 면역원성도 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 성균관대 배용수 교수는 “기존 수지상세포 암백신 효능강화 연구는 분화가 완료된 세포에 다양한 면역증강제를 처리하여 면역원성을 높이는데 초점을 맞춘 반면, 본 연구에서는 혈액 줄기세포 분화단계에서 제 3의 면역세포 존재 하에 인터류킨-33을 처리하여 새로운 고 면역원성 수지상세포로의 분화를 유도한 것입니다. 마우스 뿐 아니라 인체 단핵구 유래 수지상세포 분화에서도 유사한 결과를 얻었기에 이러한 분화기술을 인체 수지상세포 암백신 제작에 활용할 수 있을 것으로 기대합니다”라고 말했다. 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 SRC 선도연구센터(비임파성장기면역연구센터, 센터장: 배용수 교수) 과제로 수행되었으며 본 연구결과는 면역학 분야 국제학술지 Cellular and Molecular Immunology (IF=24.1)에 2023년 5월 29일 On-line 본으로 게재되었다. (그림1) 인터류킨-33에 의한 고 면역원성 수지상세포의 분화 및 항암면역 인터류킨-33의 자극을 받은 호염기구가 다양한 사이토카인을 발현하고 이들이 수지상세포 전구체에 시간 차를 두고 작용하여 고 면역원성의 새로운 수지상세포 아군(CD103+FCGR3+ cDC1)의 분화를 유도함. 이 수지상세포가 세포독성 T 임파구를 대량 증폭시켜 종양을 제거함. (그림2) 인터류킨-33에 의한 면역원성 수지상세포 백신효과 분석 인터류킨-33으로 유도한 고 면역원성 수지상세포에 종양항원 처리 후 여러 종양 마우스 모델에 투약하여 종양성장 억제효과 검증. 고 면역원성 수지상세포 백신 (FL-33-DC)이 다른 수지상세포 백신 대비 더 효과적으로 종양성장을 억제함. <그림 및 설명 제공: 성균관대 비임파성 장기면역연구센터 (SRC), 센터장 배용수 >
- No. 238
- 2023-09-01
- 6075
반도체시스템공학과 전재욱 교수

오토바이 헬멧 착용 여부 검출 Deep Learning 기술 개발

오토바이 탑승 시 교통 법규를 지키는 것은 안전을 위해 매우 중요한 일이다. 오토바이 운전자 및 탑승자들이 헬멧을 착용하고 한 대당 적정 인원만이 탑승하게 하려면 인식 개선 캠페인과 함께 단속 강화가 필요할 것이다. 그러나 오토바이 헬멧 착용 여부를 일일이 교통 감시 카메라 영상을 보며 찾아내는 것은 오랜 시간과 많은 인력을 필요로 한다. 또한, 현존하는 오토바이 관련 교통 법규 위반자 자동 검출 시스템 기술은 아직 상용화할 수 없는 수준이다. 예를 들자면, 카메라 영상에 여러 오토바이가 있을 때 검출 시스템이 각 오토바이의 정확한 위치를 파악하는데 사람의 도움을 필요로 하기도 하고, 운전자와 탑승자 각각의 헬멧 착용 여부를 효과적으로 체크하지 못하는 경우가 발생하기도 한다. 그림 1. 오토바이 헬멧 착용 여부 검출 예시. 이러한 검출 시스템의 연구 개발을 촉진하기 위해 2023년 제7 회 AI City Challenge에서 ‘헬멧 착용 의무 위반자 검출 경진대회’가 열렸다. 2023년도 6월 캐나다 밴쿠버에서 열린 인공지능과 컴퓨터 비전 분야 세계 최고 학술대회인 CVPR (Computer Vision and Pattern Recognition)에서 주관한 이 경진대회에서는 각 참가 팀이 5개월 간의 기간 동안 오토바이 운전자와 탑승자 개개인의 헬멧 착용 여부를 검출할 수 있는 시스템을 개발하여 그 성능을 비교하였다. 그림 2. 제안한 헬멧 착용 여부 검출 Deep Learning. 이 경진대회에서 성균관대학교 반도체시스템공학부의 전재욱 교수팀은 전세계의 38개 팀과 경쟁하여 1위로 우승을 차지하였다. 전재욱 교수팀은 여러 대의 오토바이 운전자와 탑승자의 위치를 먼저 찾아낸 후, 각 오토바이의 운전자와 탑승자들이 헬멧을 착용했는지 여부를 검출하는 두 단계 구조의 인공지능 기술을 개발하여 최고의 검출 성능 점수를 획득하였다. 그림 3. 각 단계의 데이터 변환 과정. 이번 우승으로 전재욱 교수팀의 기술력을 세계에 알리게 되었으며, 개발된 기술은 향후 지능형 교통감시시스템에 널리 활용될 것으로 기대된다. 향후 미래의 스마트 시티에서는 교통 법규 위반 자동 검출뿐만 아니라 차선 인식, 분기로/합류로 인식, 신호등 및 표지판 인식, 자동주차, 주변 환경 인식 등이 수행되어야 한다. 이를 위해서는 지능형 영상처리 기술이 필요하며, 전재욱 교수팀은 관련 연구를 지속적으로 진행할 예정이다. 그림 4. 다양한 환경에서의 헬멧 착용 여부 검출 결과
- No. 237
- 2023-08-24
- 4969
전자전기공학부 유우종 교수

인간 뇌처럼 스스로 학습하는 인공 뇌 신경망 회로 구현

성균관대 전자전기공학부 유우종 교수와 에너지과학과 이영희 교수 공동 연구진은 현대자동차 원의연 책임연구원과의 협업을 통해 인간 뇌세포와 동등하게 동작하는 인공 뇌세포 소자를 개발하였고, 이를 이용하여 인간 뇌세포의 다중 연결 신경망 구조를 모사한 스스로 학습하는 인공 뇌 신경망 회로를 구현하였다. 현재의 인공지능 알고리즘은 대용량 슈퍼컴퓨터 수백 대를 이용해 막대한 전기에너지를 사용한다. 반면 인간의 뇌는 주먹 두 개 정도의 작은 크기에 매우 적은 에너지를 사용하여 지능을 구현한다. 만약 인간의 뇌와 같은 원리로 동작하는 인공 뇌를 만든다면 조그마한 스마트 폰에서 동작하는 인공지능이 가능할 것이다. 실제로 인간의 뇌를 모사한 ‘뉴로모픽 시스템’이 활발하게 연구되고 있고, 특히 인간의 뇌를 정밀하게 모방할 수 있는 신개념 메모리인 ‘멤리스터(Memristor)’가 주목받고 있다. * 뉴로모픽 시스템 : 인간의 뇌를 본뜬 Neuromorphic (뉴로모픽) 구조의 컴퓨터. 기존 컴퓨터는 폰노이만 구조로 수학적 계산과 같이 순차적 계산은 빠른 반면 인공지능에서 필요한 여러 가지 일의 병렬적 계산은 적합하지 않다. 알파고의 경우 폰노이만 구조의 컴퓨터에서 병렬적 계산을 할 수 있도록 소프트웨어로 구현하였다. 이를 위해 수천개의 컴퓨터를 병렬로 연결하여 사용하고, 매우 많은 전력소모가 발생한다. 반면 뇌를 본뜬 뉴로모픽의 경우 하드웨어 자체를 병렬계산에 적합하게 만들었다. 인간의 뇌세포와 같이 수만개의 작은 cpu와 메모리를 병렬로 연결하여 컴퓨터를 만든다. 각 cpu와 메모리의 소비전력이 작아 전체적으로도 매우 작은 전력으로 높은 인공지능을 수행할 수 있다. * 멤리스터 : 메모리(memory)와 저항(resistor)의 합성어. 일반 저항과 달리 저항이 고정되어있지 않고 외부의 입력에 의해 저항값이 변하며 일정 시간 이를 저장하는 메모리 역할을 한다. 기존 메모리 소자는 0/1의 2개의 상태를 기억하는 반면, 멤리스터는 100개 이상의 상태를 기억 가능한 소자이다. 그 결과, 멤리스터 1개가 메모리 8개를 대체할 수 있어서 인공 뇌 신경망의 크기와 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있다. 멤리스터는 저항값의 변화로 기억을 저장하는 새로운 소자로, 뇌세포 간 연결체이자 기억저장 기관인 ‘시냅스’를 모방하는데 사용된다. 유우종 교수 연구진은 지난 2016년 우수한 신뢰성을 보이는 플래시 메모리 기반의 ‘2전극-플로팅게이트-멤리스터’를 최초로 개발하였고, 이를 이용하여 시냅스의 기억저장 방식을 모사하였다(Nature Commun. Doi:10.1038/ncomms12725). 그러나 인간 뇌 기능을 완벽히 구현하기 위해서는 연산을 수행하는 뇌세포 모방 소자가 추가로 필요하다. * 플래시 메모리 : 전원이 끊겨도 저장된 정보가 지워지지 않는 비휘발성 기억장치로 매우 우수한 신뢰성을 보여 스마트폰, 디지털카메라 등의 휴대기기에 널리 쓰이고 있다. 연구진은 이번 연구에서 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 최초로 개발하여 뇌세포(뉴런)의 동작을 모사하는데 성공하였다(그림1). 여러 갈래로 연결된 뇌세포 간에 서로 전기신호를 주고받게 되는데, 이때 뇌세포는 전달받은 전기신호를 몸체(막전위)에 누적(누설합산 기능)하고 일정량 이상의 전기신호가 누적되면 새로운 전기신호를 발생(발화 기능)시킨다. 연구진은 먼저‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 이용하여 이러한 뇌세포의 동작을 완벽히 따라 하는 인공 뇌세포를 구현했다. ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’의 플로팅게이트의 전위는 뇌세포의 막전위를 모사하여 누설합산 기능(leaky-integrate)을 모사하였고, 순차회로로 연결된 비교기를 통해 전기신호 누적량 측정과 뇌세포의 전기신호 발화 기능(fire)을 모사하였다.‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’는 여러 개의 전극(다중전극)을 갖는 구조인데, 이를 이용하여 뇌세포 간 여러 갈래 연결을 모사할 수 있었다. 연구진은 다음으로 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’ 여러 개를 서로 연결하여 인간의 뇌세포 간 연결구조의 스스로(비지도) 학습을 모사하였다(그림2).이를 위해 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’기반 인공 뇌세포(연산소자) 12개(입력 9개, 출력 3개)를 ‘플로팅게이트-멤리스터(2016년)’인공 시냅스(기억소가) 27개로 연결한 인공 뇌 신경망 회로를 구성했다. 이렇게 구성한 인공 뇌 신경망 회로는 인간 뇌의 1차 시각 정보 처리 기능(visure cortex 1)인 방향선 구분을 사람의 간섭없이 스스로(비지도) 학습하였고, 학습한 지능으로 다양한 방향선의 방향을 완벽히 구분해내었다. 또한, 인간의 손글씨 숫자 데이터(MNIST 데이터셋)의 학습 시뮬레이션에서 인간의 간섭 없이 스스로(비지도) 학습하여 83%의 높은 정확도를 보였다. 유우종 교수는 “본 연구는 인간 뇌와 완벽히 일치하게 동작하는 인공 뇌세포, 시냅스 그리고 인공 뇌 신경망 회로의 개발을 통해 인간과 같이 스스로(비지도) 학습하는 능동적인 인공지능을 구현 했다는데 의의가 있다.”며 “인간의 지식 테두리 안에 갇혀있는 기존 지도학습과 달리, 비지도 학습은 데이터를 통해 스스로 학습하므로 인간의 지식수준을 뛰어넘는 신지식의 도출이 가능한 창의적인 인공지능 구현이 가능하다.”고 밝혔다. 본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF = 17.694)에 5월 27일 게재되었고, 최신 논문 중 최고의 논문을 선정하는 ‘에디터 하이라이트 페이지’(Editors’ Highlights page) Devices 섹션에 6월 14일 소개되었다. * Multi-neuron connection using multi-terminal floating–gate memristor for unsupervised learning (저널: Nature Communications, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38667-3, Editors’ Highlights page - Devices: https://www.nature.com/collections/bjiiabbacg) 그림1. [왼쪽] 인간 뇌의 뇌세포 간 연결구조. [오른쪽] 인간 뇌세포 및 연결구조를 모사한 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 이용한 인공 뇌세포 구조 그림2. [왼쪽위] 뇌의 1차 시각 정보 처리 기능(visure cortex 1)인 방향선 구분 [오른쪽] 이를 구현한 뇌세포(연산) 소자 12개와 시냅스(기억) 소자 27개를 연결한 ‘인공 뇌 신경망 회로’
- No. 236
- 2023-08-11
- 9247
글로벌바이오메디컬공학과 이준열 교수 ·박정준, 김설민 연구원

사전 예측이 감각운동 향상시키는 신경 기전 밝히다

동물은 주어진 환경에 적응하고 살아가기 위해 다양한 감각 정보를 활용하며, 특히 인간을 포함한 영장류는 주로 눈을 통해 얻은 시각정보에 의존한다. 우리 뇌는 시각정보가 정확하지 않거나 제한적인 경우에도, 시각정보와 과거의 경험 지식에 기반한 예측정보를 통합해 적절한 행동을 할 수 있게 한다. 그러나 이러한 정보의 통합과 처리가 뇌의 어느 영역에서, 어떻게 처리되는지는 아직 명확하지 않다. 글로벌바이오메디컬공학과 이준열 교수 연구팀은 영장류 행동 실험과 신경세포 활동 측정을 통해 얻은 데이터를 바탕으로, 사전 경험지식에 의한 예측이 시각정보를 처리하는 대뇌피질 감각영역의 세포활동을 조절해 움직이는 물체를 추적하는 능력을 높인다는 사실을 밝혔다. 원숭이 행동실험 결과, 움직이는 시각자극이 잘 보이지 않더라도 이전 실험 경험을 통해 이동 방향을 예측할 수 있는 경우에는 물체를 추적하는 안구운동의 정밀도가 높았고, 예측할 수 없는 움직임을 보이는 경우에는 정밀도가 낮아짐을 확인했다. 또한 이와 같이 잘 보이지 않는 물체의 움직임에 대한 안구운동 정밀도의 향상은 대뇌 외측시각피질 세포들의 신경활성의 조절로 잘 설명되었는데, 이는 외측시각피질 세포들의 활성 패턴이 시각 자극물의 방향에 대한 예측도 표상할 수 있으며, 이것이 안구 운동의 정밀성과 연관되어 있음을 보여준 것이다. 이번 연구를 이끈 이준열 교수는 연구결과가 “대뇌 외측시각피질이 환경으로부터 얻은 감각 정보를 단순히 신경 신호로 전달하는 영역이 아니라, 사전 지식 및 예측에 의해서 동일 감각정보를 다르게 해석하여 행동을 조절할 수 있는 뇌영역이라는 것을 보여준다”고 전했다. 또한, “대뇌피질의 감각 영역이 사전 정보를 이용해 어떻게 감각운동 행동 변화에 기여할 수 있는지를 밝힘으로써, 감각운동 정보처리의 신경 기전에 대한 이해를 높였다”라며, “감각운동 및 인지기능 장애 치료 연구에도 도움이 될 수 있을 것”이라고 전했다. 본 연구는 기초과학연구원 (IBS-R015-D1)의 지원을 받아 수행되었고 사이언스 자매 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 13.6)’에 7월 7일 온라인 게재됐다. 박정준 석사후 연구원 (현 Washington University St. Louis 박사과정 학생)과 김설민 박사과정 학생이 공동 제1저자로 기여하였으며 같은 과 김형구 교수와의 협업으로 이루어졌다.
- No. 235
- 2023-08-01
- 6231
에너지과학과 최경민 교수 ·최영관, 고경훈 연구원

전자 궤적이 야구 변화구처럼 휘는 현상을 경금속에서 관측 성공

에너지과학과 최경민 교수 연구팀(공동1저자 최영관박사, 공동1저자 고경훈 박사과정)과 포항공대 이현우 교수 연구팀 (공동1저자 조대근 박사과정)은 금속에 전기장을 걸었을 때 전자의 원자핵 주변 궤도 공전 때문에 전자가 전기장과 어긋난 방향으로 휘면서 흘러간다는 것을 세계 최초로 밝혔다. 야구 투수가 빠른 공과 느린 공, 직구와 변화구를 자유자재로 구사하면 타자가 공략하기 힘든 것처럼 전기장을 걸었을 때 생기는 전류 흐름을 자유자재로 조절할 수 있으면 전자소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 연구진은 경금속에서 전자의 스핀 대신 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 각운동량을 이용해서 전자 궤적을 휘게 만들 수 있다는 것을 확인하였다 (궤도 홀 효과). 최경민 교수 연구팀은 “이 연구는 전자의 궤도 각운동량이 고체내에서 제어될 수 있음을 보여준다. 제어가 가능한 궤도 각운동량은 다양한 고체 물리 분야에 적용될 것으로 기대되며, 특히 스핀 각운동량과 결합하여 저전력 자성 메모리 개발에 응용될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 과학분야 세계 최고의 학술지인 Nature 에 7월 6일에 게재되었다. 논문명: Observation of the orbital Hall effect in a light metal Ti 전자(황금색 구)는 원자핵 (파란색 구) 주변을 어느 방향으로 공전하는지에 따라 서로 다른 궤도 각운동량을 가진다. 궤도 각운동량 방향에 따라서 전자의 궤적이 휘는 현상을 궤도 홀 효과라고 한다. 이 궤도 홀 효과는 전자소자에서 전자의 궤적을 제어하는 원리를 제공한다.
- No. 234
- 2023-07-17
- 5008
에너지과학과 정소희 교수 ·김미리, 최만민, 최신일 연구원

퀀텀닷 표면에 따른 화학적 차이 규명

에너지과학과 정소희 교수 연구팀(제1저자 김미리 박사, 공저자 최만민 석박통합과정, 최신일 박사과정)은 퀀텀닷(Quantum Dot)의 노출된 표면(facet)을 성공적으로 제어하여 표면 구조 및 관련 화학 반응성의 변화를 규명하였다. 퀀텀닷은 그 크기가 매우 작아 (1-10 nm 수준) 표면 구조의 이해 및 제어가 중요하지만 나노 수준의 결정체의 표면구조를 아는 것은 대단히 어렵다. 이에 연구팀은 정밀히 디자인된 콜로이드 합성법을 통해 노출된 표면이 제어된 퀀텀닷을 합성하였다. 특히, 퀀텀닷의 표면과 리간드(ligand) 결합을 원자수준에서 제어하였으며 이를 통해 단일 표면을 가지는 다면체(tetrahedron, octahedron)와 다중 표면을 가지는 나노구조체(tetrapod, truncated-octahedron) 등에 이르기까지 퀀텀닷 표면 연구를 위한 라이브러리를 구축하는데 성공하였다. 또한, 표면이 잘 정의된(well-defined) 퀀텀닷 구조 및 화학 반응성 이해를 기반하여 초소형 퀀텀닷의 우수한 대기안정성의 화학적 규명, 단일 양자점의 다중 홀전자쌍 발광에 관한 양자기술을 구현하여 차세대 QLED 기술 발전에 기여하였다. 또한 정밀한 표면 리간드 치환기술 개발을 통한 퀀텀닷 박막의 전기적 특성 연속 제어, 퀀텀닷 기반 광전소자의 성능 향상을 제시하는 등 차세대 반도체 기술을 한단계 높은 수준으로 끌어올렸다는 평가를 받았다. 정소희 교수 연구팀은 “본 연구를 통해 연구실에서 10년간 개발해온 초소형 반도체 나노 결정체인 퀀텀닷의 표면 구조 및 관련 화학 반응성 규명의 새로운 장을 연 것에 그 의미가 있다”며 “이를 통해 퀀텀닷의 초균질 특성 확보가 가능할 것으로 기대되어 차세대 양자 기술, 디스플레이, 에너지 소자의 핵심 소재로서 그 역할이 기대된다”고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업 및 중견연구, 소재혁신 사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학 분야 최상위 학술지인 Accounts of Chemical Research(IF=24.466, JCR 상위 3.63%)에 6월 23일(목) 게재되었다. 논문명: Semiconductor Nanocrystals: Unveiling the Chemistry behind Different Facets
- No. 233
- 2023-07-07
- 6229
글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 ·김정우 연구원

fMRI 데이터 기반 반추 예측 모델 개발

"반추"는 우리의 마음이 특정한 생각이나 감정에 빠져서 끊임없이 그것을 되새기는 상태를 묘사한다. 이는 마치 소가 먹은 음식을 여러 번 씹는 것처럼, 우리도 때로 특정한 생각이나 감정을 계속해서 되새기는’데, 이러한 현상을 비유적으로 표현한 것이다. 특히 우리는 때로 부정적인 상황이나 문제, 걱정거리에 대해 계속해서 생각하곤 한다. 이런 생각이 과도하게 반복되거나 부정적인 감정에 집중하게 되면 우울증이나 불안장애 등의 정신 건강 문제로 발전할 수 있다. 그래서 학계에서는 반추 사고 경향을 우울증의 대표적인 취약 요인으로 연구해 왔다. 사람마다 이 반추 사고 경향은 다르게 나타난다. 이 반추 경향은 개인마다 고유한 뇌의 연결성 패턴과 관련되어 있을 것이라는 가설이 제기되어 왔지만, 이는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과, 기초과학연구원 뇌과학이미징 우충완 교수 연구팀은 미국 다트머스 대학 토어 웨이거 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 이를 연구하였다. 즉, 건강한 사람들이 쉬는 동안 얻은 기능자기공명영상(fMRI) 데이터에 기계 학습을 적용하여 개개인의 반추 경향을 예측하는 모델을 개발했다. 나아가 이 뇌기반 예측 모델은 실제 우울증 환자들의 우울 정도를 예측하는 데에도 유효한 결과를 보였다. 특히, 이번 연구를 통해 디폴트모드 네트워크 내의 배내측전전두피질(Dorsomedial prefrontal cortex)이 반추의 수준을 예측하는 데 특히 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀내었다. 이번 연구를 이끈 우충완 교수는 "생각의 흐름의 패턴은 우리의 감정에 중요한 영향을 미치는데, 본 연구는 부정적인 생각의 경향성을 뇌 연결성으로부터 읽어낼 수 있다는 것을 보였다”며 본 연구에 대해 "이런 연구 결과들이 쌓여서 미래에는 정신건강을 모니터링하고 관리하기 위해 뇌영상을 이용할 수 있기를 기대”한다고 하였다. 이번 연구의 제 1저자인 성균관대학교 지능형정밀헬스케어융합전공 박사과정생 김정우는 "본 연구는 반추 과정의 개인 차에 어느 뇌 영역 간의 어떤 연결성이 기저하는지를 보여준 연구로 임상적으로도 과학적으로도 의미가 있는 연구” 라고 하였다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단에서 지원하는 신진연구(2019R1C1C1004512), BrainKorea21 Four 등의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션스 (Nature Communications, IF 17.694)에 2023년 6월 15일 게재됐다.
- No. 232
- 2023-06-29
- 4630
융합생명공학과 김희권 교수 ·김지윤, 김지성 연구원

차세대 프라임에디터 유전자가위 설계 인공지능 개발

융합생명공학과 김희권 교수 연구팀 (공동저자 김지윤, 김지성 학생)은 연세대학교 의과대학 김형범 교수 연구팀과 함께 차세대 유전자가위인 프라임에디터를 설계하는 세계최고 수준의 인공지능 모델 개발에 성공하였다. 연구결과는 세계 최고 권위의 학술지인 ‘셀 (Cell)’ 2023년 5월 11일 호에 게재되었다. 이 연구는 한국연구재단 우수신진연구 지원사업 (2020R1C1C1003284), 국가신약개발사업 (HN22C0571) 등의 지원을 받아 수행되었다. 유전자가위(CRISPR-Cas9)는 원하는 유전자 부위를 손쉽게 절단하고 원하는 형태로 교정할 수 있는 인공효소로서, 유전자치료제 개발의 원천기술, 유전자교정 동식물 개발, 유전체 스크리닝 기술의 핵심 도구이다. 유전자가위를 이용한 유전자교정기술을 개발한 과학자들이 2020년에 노벨화학상을 수상하였으며, 현재 유전자가위를 이용한 여러 유전자치료제의 임상연구가 진행되는 등 전세계적인 관심을 받고 있다. 기존 유전자가위기술은 DNA이중가닥절단에 의해 나타나는 세포독성, 비특이적 유전자교정과 같은 부작용이 나타나는 단점이 있다. 최근에는 DNA이중가닥을 완전히 자르지 않고 한 가닥만 자르면서, 절단 부위에 새로운 유전정보를 채워넣는 프라임에디터 유전자가위가 개발되었으며, 기존 유전자가위보다 훨씬 안전하고 효율적인 기술로 주목받고 있다. 하지만 프라임에디터 유전자가위 시스템은 기존 유전자가위보다 구조적으로 복잡하고, 설계할 수 있는 경우의 수도 수 백배 다양하기 때문에 효율이 높고 정밀한 유전자가위를 설계하는 데에 어려움이 있다. 따라서 프라임에디터 유전자가위를 임상 연구와 치료목적으로 사용하려면 어떤 조건에서 최적의 유전자 교정이 일어나는지 정확히 파악하는 것이 필요하며, 이를 위해서 대규모 실험데이터 확보 및 분석이 필수적이다. 이에 연구팀은 2020년부터 약 3년 동안 33만개 이상의 프라임에디터 유전자가위의 교정효율을 측정한 데이터를 확보하였다. 이는 그동안 학계에 보고된 측정 데이터 중 가장 규모가 큰 결과이다. 측정한 데이터를 분석한 결과, 연구팀은 프라임에디터 유전자가위의 교정효율을 결정하는 주요 기전과 영향을 밝혀내는데 성공하였다. 이에 그치지 않고, 연구팀은 분석한 데이터를 인공지능을 통한 학습과정을 거쳐 교정을 원하는 유전자 서열정보 등을 입력하면 활용 가능한 프라임에디터 유전자가위의 효율과 정확성을 예측하는 인공지능 모델들(DeepPrime, DeepPrime-FT, DeepPrime off)을 제작하였다. 이번에 제작한 모델은 프라임에디터 유전자가위의 교정효율 및 안전성에 대해 세계최고 수준의 예측 성능을 보인다. 기존에는 프라임에디터 유전자가위를 활용하기 위해 매번 수 십~수 백개 이상의 프라임에디터 유전자가위를 제작하고 실험적으로 검증하는 과정이 필요했으나, 이번에 연구팀이 구현한 기술을 이용하면 빠르고 정확하게 프라임에디터 유전자가위를 설계할 수 있어 향후 유전자치료 분야에서 높은 활용도가 기대된다.
- No. 231
- 2023-06-09
- 7614
화학과 이진용 교수 ·Hao Li 박사, 임종현 박사

그래파인 계열 탄소화합물의 성질과 응용

이진용(화학과) 교수 (공동 제1저자 Hao Li 박사, 임종현 박사)와 Baotao Kang 교수(중국 지난대학교, 이진용 교수의 박사 지도학생)이 이끄는 연구팀은 Graphyne(그래파인) 패밀리 및 Graphdiyne(GDY)을 다양한 에너지 저장 및 촉매 활용에 응용한 이론적 연구결과들을 Chemical Reviews (IF:72.087)에 "Graphynes and Graphdiynes for Energy Storage and Catalytic Utilization: Theoretical Insights into Recent Advances"라는 제목으로 2023년 4월 26일 게재하였다. 이 논문은 이론화학자의 관점에서 그래파인 패밀리의 구조적, 광학적, 전자적 특성을 설명하고 특히 실험적으로 보고된 유일한 그래파인 패밀리인 graphdiyne 기반 재료들의 다양한 응용을 다루었다. 다양한 종류의 탄소 동소체는 특유의 뛰어난 성질을 통해 인류에게 많은 기여를 해왔으며, 그 중에서도 탄소 기반 저차원 물질인 그래파인 소재는 우수한 물리적 및 화학적 특성으로 인해 광범위한 잠재적 응용 분야를 가지고 있다. 특히 그래파인 패밀리 중에서 유일하게 합성된 GDY는 최초 합성에 성공한 이후 특유의 넓은 표면적과 sp/sp2 혼성궤도, 그리고 일정한 밴드갭을 갖고 있어서 다양한 연구 분야, 특히 에너지 저장 및 촉매 활용 분야에서 실용화되고 있다. 그러나 대부분의 그래파인 패밀리가 이론적으로만 연구되었고 아직도 합성되지 않은 다양한 그래파인 패밀리들이 존재하기 때문에, 본 논문에서 다루는 다양한 이론 및 실험 결과들은 이론분야 뿐만아니라 실험 연구자들에게도 중요한 아이디어를 제공할 수 있어 실험과 이론 간의 협력 연구를 더욱 활발하게 유도할 것으로 기대된다. 세계적인 에너지 위기를 해결하기 위한 효율적인 에너지 저장 소재 및 촉매의 개발은 필수적입니다. 해당 분야에서 GDY는 전기 촉매, 광촉매, 태양 에너지 변환, 수소 저장, 이온 배터리, 슈퍼 커패시터 등을 포함한 다양한 에너지 기술에 활용가능한 소재 후보지만, GY 계열 재료에 대한 연구는 합성의 부재로 인해 여전히 제한적이다. 본 논문에서는 GY의 구조와 전자적 특성에 대해 연구를 통해 에너지 소재 분야에서 활용 가능한 잠재적 응용에 대한 제안하고 있다. 최근 10년 동안 이진용 교수는 이 주제에 관한 연구결과를 Chem. Eng. J., Energy & Environ. Mater., Carbon, App. Surf. Sci., Phys. Chem. Chem. Phys. 등에 수 십여편의 논문을 발표하였다. *논문명:Graphynes and Graphdiynes for Energy Storage and Catalytic Utilization: Theoretical Insights into Recent Advances
- No. 230
- 2023-05-31
- 6269
바이오메카트로닉스학과 박진성 교수

초고민감 과불화옥탄산(PFOA) 검출 센서 개발

박진성 교수 연구팀이 세계 최초로 자가 조립 파라페닐렌디아민* 나노입자(Self Assembled p-Phenylenediamine nanoparticle, SAp-PD)를 이용하여 테프론 코팅된 프라이팬 조리 시 발생하는 과불화옥탄산(Perfluorooctanoic acid, PFOA)의 초고민감도 검출에 성공하였다. 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀은 이 같은 내용을 환경 과학 분야 Top 3% 국제학술지 ‘Journal of Hazardous Materials’에 4월 6일자로 출간하였다. * 파라페닐렌디아민(p-Phenylenediamine, p-PD) : 염색약 성분 중 하나로 아민기(-NH2)를 양 끝단에 가지는 유기 화합물. 상온에서는 흰색의 가루 형태로 존재하지만, 수용액 상에서 산화가 되면 적갈색을 띠는 것이 특징임. PFOA는 계면활성제의 특성과 함께 내열성 및 오염 방지 특성이 있어 산업 전반에 걸쳐 널리 사용됐으며 특히, 프라이팬 등의 조리도구 코팅제로 사용됐다. 하지만, 세계보건기구(WHO) 산하의 국제 암 연구소(IARC)가 인간에게 발암 가능성이 있는 ‘그룹 2B’로 분류하며 사용이 제한됐고, 지난 2018년 대구 수돗물에 과불화화합물이 기준치 이상으로 검출되어 사회적 이슈가 된 이래로 PFOA의 고민감 검출에 대한 중요성이 대두되어왔다. 연구팀은 특정 파장의 레이저를 분석하고자 하는 물질에 조사할 때 발생하는 고유한 스펙트럼을 감지하고 분석 가능한 라만 기술을 검출에 이용하였다. 라만 기술은 마치 사람의 지문이 서로 다른 것처럼 물질마다 고유의 스펙트럼을 가지고 있다. 특히, 라만 신호를 극대화하기 위해 표면 증강 라만 분광(Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) 방법을 적용하였고, 이는 분석 물질이 붙는 기판의 나노 구조에 따라 성능이 결정된다. 이를 위해 본 연구팀은 잔디 형상의 은 나노잔디 구조체(Silver Nanograss)를 제작하여 SERS 기판으로 사용하였고, 은 나노잔디 구조체 기판 위에서 고유한 라만 스펙트럼을 가진 SAp-PD의 신호를 PFOA 처리 전/후로 측정하여 라만 강도의 차이를 분석하였다. 파라페닐렌디아민(p-PD)은 수용액 상에서 시간이 지남에 따라 산화되면 스스로 구형의 나노 입자가 되는 성질과 함께 특정 라만 스펙트럼을 가지고 있다. 이때, PFOA와 반응을 하면 p-PD 나노 입자 구조가 붕괴하는 현상과 함께 라만 스펙트럼의 강도가 감소한다. 본 연구팀은 이러한 메커니즘을 세계 최초로 응용하여 초고민감 PFOA 검출 센서 기술을 개발하였다. 연구팀은 증류수 상에서 PFOA를 SAp-PD를 이용해 극저농도인 1.28pM(pico molar, 10-12M) 농도까지 검출하였고, 실제 수돗물에서는 1.6nM(nano molar, 10-9M) 농도로 검출하였다. 또한, 실제 테프론이 코팅된 프라이팬을 철 수세미로 긁었을 때와 프라이팬에서 조리한 즉석 밥에서도 PFOA를 각각 1.69nM, 10.3μM(micro molar, 10-6M)의 농도까지 검출하는 데 성공하였다. 박진성 교수는 “본 연구에서 제안하는 기술은 과불화화합물뿐 아니라 다양한 환경 독성 물질을 검출하기 위한 초석 연구로 활용될 가능성이 크다.”며 “향후 실제 환경 정밀 모니터링을 위한 기술로 응용되기를 기대한다.”라고 밝혔다. 또한, 이번 실험을 진행한 박현준 박사과정은 “이번 연구를 기반으로 과불화옥탄산뿐만 아니라 실제 환경에 노출되어 인체에 유해함을 보이는 독성 물질들을 찾아 더욱 민감하게 검출 가능한 멀티 센싱 플랫폼을 구축하고 싶다.”라고 포부를 밝혔다. 본 연구는 한국환경산업기술원의 환경기술개발사업과 한국연구재단(기초과학연구, 중견연구)의 지원을 받아 진행되었다. 한편, 박진성 교수는 방류수 내 질병 유발 중금속 검출 센서를 개발한 연구 성과를 국제학술지 ACS Sustainable Chemistry&Engineering(IF: 9.224)에 4월 21일 게재하는 등 질병유발 환경의 독성물질 검출 연구에 박차를 가하고 있다. ※ 논문명: Ultra-sensitive SERS detection of perfluorooctanoic acid based on self-assembled p-phenylenediamine nanoparticle complex ※ 저널: Journal of Hazardous Materials, IF: 14.224 ※ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389423006672?via%3Dihub
- No. 229
- 2023-05-17
- 5475