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생명과학의 역사를 쓰는 사람들 Research Highlights

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인터뷰 신정환
논문 Jung Hwan Shin*, Dohoung Kim and Min Whan Jung (2018). "Differential coding of reward and movement information in the dorsomedial striatal direct and indirect pathways." Nature Communications 9(1): 404.
한줄요약 기저핵의 직접회로와 간접회로의 강화학습과 운동정보 부호화를 규명하다


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▷인터뷰


 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요.

  기저핵은 신경계에서 대표적으로 강화학습과 수의적인 운동에 중요한 부위로 알려져 있습니다. 강화학습이란 예측한 기대치 (Expected value)와 실제 결과 (Outcome)의 차이 (Reward prediction error)에 따라 자신의 행동을 강화 (positive reinforce)할 것인지 아님 피할 것인지 (negative reinforce)를 결정함으로써, 가장 최적화된 결과를 얻게 되는 알고리즘입니다. 또한, 기저핵은 동물이 이런 행동을 할 수 있는 수의적 운동을 조절함으로 생명체가 환경에서 살아남는데 가장 중요한 신경회로라고 할 수 있습니다. 기저핵은 직접회로와 간접회로로 나뉘어져 있는데, 선조체의 중간돌기세포 (medium spiny neuron) dopamine receptor type 1을 발현하는 세포 (이하 dSPN) Substantia nigra로 직접 projection (직접 회로)하고, dopamine receptor type 2를 발현하는 신경세포 (이하 iSPN) Globus pallidus subthalamic nucleus를 거쳐 substantia nigra projection (간접 회로)하는 것으로 알려져 있습니다. 신경해부학에서 출발한 이 고전적 모델은 여러 약물자극pharmacologic study들을 통해 직접회로와 간접회로가 강화학습과 수의적인 운동에 서로 상반되는 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 직접회로가 자극되면 positive reinforce가 발생하고, 수의적 운동을 증가시키는 쪽으로 작용합니다. 이런 모델은 수십 년간 파킨슨병과 같은 기저핵 질환을 설명하는 중요한 원리이기도 했습니다. 그러나, 이런 단순한 이분법적인 모델로 설명이 되지 않는 임상적인 현상이 있었고, 최근 발전하는 실험기법으로 직접 및 간접회로가 수의적 운동에 대해서는 상보적인 역할을 하는 것이 아니냐는 의문이 제기되었습니다. 저는 기저핵이 강화학습과 수의적인 운동의 정보들을 부화하는 형태가 기존의 이분법적인 모델이 아닌 좀 더 복잡한 형태를 보일 것으로 생각하고, 쥐에게 고전적 조건화 학습을 시키면서 직접회로와 간접회로를 생체 내 단일신경세포 흥분을 관찰하였습니다. 선조체 내의 dSPN, iSPN은 전기 생리학적으로 동일하기 때문에 고전적인 방법으로는 이 둘을 구분하여 관찰하는 것은 불가능했습니다. 저는 광유전학 기법과 유전자조작 쥐로 Optogenetic tagging기법을 사용하여 dSPN iSPN을 생체 내에서 분리하여 관찰할 수 있었습니다.

최종 결과는 이 두 세포들은 생각보다 비슷한 pattern을 보이며, 각 강화학습관련 정보와 운동 정보에 대해서 고전적 모델보다 훨씬 복잡한 형태를 보인다는 것을 알게 되었습니다. 보상  (Reward)과 보상예측오류 (Reward prediction error) 그리고 운동시작 (movement initiation)에 대해서는 굉장히 비슷한 부호화 패턴을 보이고, 예측한 기대치와 이전 trial에서의 보상정보에 대해서는 양적인 차이를 보인다는 점도 확인하였습니다. 무엇보다 재미있었던 것은 dSPN을 광유전학적으로 자극했을 때 자유롭게 움직일 수 있는 상황 (open field)에서는 운동이 증가하였으나, 물을 목표로 핥는 lick behavior에 대해서 물을 목표로 하는 goal oriented movement가 억제됨을 확인하였습니다. 최근 발표되고 있는 여러 논문들에서 운동에 대해서는 dSPN iSPN co-activation pattern을 보이고, 상황 (context)에 따라서 dSPN이 운동을 억제할 수 있다는 결과들이 재현되고 있습니다. 따라서 기저핵의 작용기전을 설명하기 위해서는 더 복잡하고 섬세한 모델이 필요하다는 점을 시사하고 있습니다.

 

2. 연구과정에서 있었던 에피소드를 소개해 주세요.

  Optogenetic tagging을 처음 하면서, 여러 시행착오를 거쳤습니다. 기본적으로 원하는 세포에 blue laser에 반응하여 열리는 cation channel channelrhodopsin을 발현시키고, 2주정도 기다렸다가 blue laser를 쪼였을 때 local field potential의 변화가 나타나야 하는데, 아무리 기다려도 laser에 반응이 없어, 슬픈 마음에 Channelrhodpsin이라는 곡을 썼는데, 나중에 optogenetic tagging이 잘된 이후에 신나는 곡으로 바뀌어 실험실내 밴드에서 이 곡을 공연하게 된 점이 기억에 남습니다. 관심 있으신 분들을 위해 링크를 남깁니다.

https://soundcloud.com/junghwan-shin/chr2-v11

 

3. 연구를 통해 얻은 지혜를 후배들에게 들려주세요.

처음 제 결과를 여러 학회에서 발표했을 때 그 동안 익숙했던 고전적 모델과 다른 결과를 보이는 것에 대해 신기해하면서도 불편해하는 연구자들이 많았습니다. 실험을 재현해보고 동료 연구자들과 토론하면서 self confidence를 갖는 과정, 그러면서도 이 실험결과를 다른 연구자들에게 꾸준히 설득하는 과정이 필요했습니다. 모두가 예측할만한 결과는 나와 주변사람의 흥미를 끌기가 어렵고, 기존의 틀을 깨거나 기존에 없던 것을 새로 보여주는 연구는 여러 난관이 있지만, 그 끝에는 영향력 있는 연구라는 달콤한 열매가 올 수 있다는 점을 배웠습니다.


4. 나는 왜 명과학자가 되었는가?

  저는 파킨슨병과 같은 이상운동질환에 관심을 갖고 신경과학을 전공한 임상의사입니다. 파킨슨병은 흔히 알고 있는 운동증상 이외 치매, 우울증, 무감동증과 같은 비운동증상이 같이 나타나고, 이런 증상들은 환자의 삶의 질을 현저히 저하시킵니다. 현재 파킨슨병의 치료는 수십 년간 발전해왔지만, 현재는 새로운 치료전략보다는 현재의 약물을 좀더 효과적으로 전달하는 방법을 개발하는 답보상태에 있다고 할 수 있습니다. 저는 기초연구를 통해 뇌와 질병에 대한 근본적인 이해가 치료의 돌파구를 찾는데 도움이 될 것이라는 마음에 카이스트 의과학대학원을 통해 카이스트 생명과학과로 오게 되었습니다.


5. 다른 하고 싶은 이야기

  생명과학 연구는 결국 인류의 복지 증진을 목표로 나아가야 한다고 생각합니다. 저도 연구를 하면서 제 연구가 당장은 현실적인 문제를 해결하는 것과 거리가 있어 보이지만, 제 연구가 궁극적으로는 목표를 향하는 작은 발걸음이라고 생각하고, 자부심을 가지려고 노력하고 있습니다. 연구의 시작부터 마무리까지 지도해주신 정민환 교수님과 사수인 도형이형 그리고 아낌없는 조언을 해준 실험실 동료들께 감사 드립니다. 비교적 늦은 나이에 연구하는 저를 옆에서 열렬히 응원해주는 존경하고 사랑하는 동반자인 아내 민경이와 아들 재원이 그리고 순천 부모님과 서울 부모님께 감사의 인사를 올립니다.


  1. 이민지(바이오이미징/광유전학 실험실, 허원도 교수님)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. 세포는 외부 환경으로부터 오는 변화를 수용체를 통해서 인식하고, 그 신호를 세포 내부로 전달하는데, 이를 통해서 세포 내에서 여러 기능들이 조절됩니다. 이러한 수용체 중 TGF-...
    Date2018.02.05 By생명과학과 Views257
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  2. 변현종(카이스트 부설 한국과학영재학교 미생물공학실, 안정훈 교수님) - 카이스트 생명과학과 학부생

     ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. 타입 I 분비 시스템(T1SS) 중 “폴리펩타이드를 수송하는 ABC 수송체”들의 단백질 분비 특성에 관해 연구한 논문입니다. 우리는 Pseudomonas fluorescens 박테리아가 보유한 ABC 수...
    Date2018.02.05 By생명과학과 Views195
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  3. 송요셉(시스템 및 합성 생물학 연구실, 조병관 교수님)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. 화석연료는 에너지 연료로만 사용되는 것이 아니고, 정유시 발생하는 석유화학제품도 제약, 섬유 산업 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 화석연료 고갈 문제 및 사...
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  4. 신정환(시스템신경과학 연구실, 정민환 교수님)

      ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. 기저핵은 신경계에서 대표적으로 강화학습과 수의적인 운동에 중요한 부위로 알려져 있습니다. 강화학습이란 예측한 기대치 (Expected value)와 ...
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  5. 유다영(동물세포공학 연구실, 이균민 교수님)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. 현재 mammalian 세포에서 생산되는 단백질 의약품의 70%는 Chinese hamster ovary (CHO) 세포를 이용합니다. Glutamine synthetase (GS) / Methionine sulfoximine (MSX) 시스템은 CH...
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  6. 정지혜(시스템 및 합성생물학 연구실, 조병관 교수님)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. 단감의 경우 실제로 수확 후, 2주 후부터 연화가(물러짐) 진행되어 1달이 지나면 대부분의 단감이 연화되어 먹을 수 없습니다. 이렇듯 단감이 상품성을 가질 수 있는 기간은 한정적 ...
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  7. 조유리(분자세포면역학 연구실, 강석조 교수님)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해주세요. 2011년 Ralph Steinman이 Dendritic cell의 발견을 한 공로로 노벨 생리의학상을 수상하였습니다. 그 만큼 Dendritic cell은 우리 면역 시스템에 굉장히 중요한 면역 세포입니다. I...
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  8. 김희연 (생체분자공학 연구실, 김학성 교수님)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. 생물의약품이 세포 내로 전달되어 약효를 나타내기 위해서는, 일반적으로 선택적인 투과성을 지닌 세포막을 잘 투과할 수 있도록 디자인 되어야...
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  9. 김종원 (생체분자공학 연구실, 김학성 교수님)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. 현재 민감도와 특이성이 높은 표적 물질의 검출 및 분석법이 다양하게 개발되고 있습니다. 대개는 신호 발생 물질인 효소를 나노입자나 항체에 화학적 결합을 통해 이용하고 ...
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  10. 최정윤 (발생분화연구실, 한용만 교수님)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. CFC 증후군은 ERK 신호전달체계의 돌연변이에 의해 발생하는 희귀 유전 질환입니다. 비정상적인 뼈 발달은 대부분의 CFC 증후군 환자에서 나타나지만 ERK 신호전달체계의 이상과 골...
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  11. 김나연(바이오이미징/광유전학 실험실, 허원도 교수님)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. Protein oligomerization is an important molecular mechanism in many biological processes that control numerous cellular events. We investigated the property of crypt...
    Date2017.11.13 By생명과학과 Views760
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  12. 유미란(신경회로망 연구실, 한진희 교수님)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. 기억이 어떻게 형성 되어서, 어떻게 평생에 거쳐 저장되고 유지될 수 있을지를 밝히는 것은 매우 흥미로운 일입니다. 처음 획득한 기억이 안정화 되기 위해서는 기억에 중요한 여...
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    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. DNA 와 함께 크로마틴을 구성하고 있는 히스톤은 다양한 종류의 post-translational modification 에 의해 조절됩니다. 히스톤 H3 의 4 번째 lysine 잔기 (H3K4) methylation 은 대표적...
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    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. Centromere의 특징 중 하나는 전형적인 histone H3 nucleosome 대신 centromere-specific histone H3 variant인 CENP-A nucleosome이 존재한다는 점입니다. 이러한 CENP-A nucleoso...
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  16. 윤정민(에피제네틱스 구조생물학 실험실, 송지준 교수님)

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  17. 경현호, 최윤주(생체분자공학 실험실, 김학성 교수)

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  18. 김정진(행동 유전학 실험실, 김대수 교수)

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  19. 이준우(크로마틴생물학 실험실, 이대엽 교수)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. 본 논문은 제가 Nature Communications 에 개제하였던 연구 내용을 긍정적으로 평가한 <Transcription> 이라는 잡지사에서 제 논문에 관한 review 논문을 작성해 달라는 부탁을 보...
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  20. 권도형 (분자세포면역학 연구실, 강석조 교수)

    ▷인터뷰 1. 논문 내용과 의미를 설명해 주세요. 미토콘드리아는 에너지 생산뿐만 아니라, 칼슘의 저장소, Apoptosis, lipid 합성등 다양한 기능을 수행하는 세포소기관으로, 에너지 상태 외에도 다양한 ion의 흐름, 외...
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