신경회로 연구실 (Laboratory of Neural Circuitry)

저희 연구실에서는 뇌가 어떻게 몸의 안과 밖에서 오는 상태 및 감각 정보를 받아들이고(input), 여러 갈래의 정보를 통합하여(integration), 적절한 행동적, 생리적 반응을 일으키는지(output) 이해하고자 합니다. 즉, 동물의 행동과 체내 변화의 시작과 끝, 그리고 그 사이에 있는 모든 것에 대한 완전한 과학적 설명을 찾고자 합니다.

이 목표를 향해, 저희 연구실은 입, 위, 소장, 대장을 비롯한 소화관과 다른 내장 기관들로부터 체내의 생리학적 상태 정보가 뇌로 전달되고, 이 정보가 뇌신경회로에서 처리된 후, 다시 각 장기들로 신호를 보내 적절한 반응을 일으키는 과정, 바로 장뇌축(gut-brain axis) 신경회로를 포함하는 뇌–몸 의사소통(brain-body communication)의 신경학적 메커니즘의 연구에 집중하고 있습니다. 일례로 2020년 Nature지에 발표한, 소화관의 물리적 팽창이 어떻게 포만감을 일으키는지에 대한 연구(Youtube 강연 영상, 관련 기고문 1, 기고문 2)를 들 수 있고, 현재 뇌-몸 의사소통을 주제로 여러 행동적, 생리적 현상의 메커니즘을 밝혀내는 다수의 재미난 연구를 진행하고 있습니다. 또한 장내 미생물 및 유산균과 관련하여 임상적 치료법을 개발하거나, 비만(obesity)과 우울증(depression)의 치료에 사용되는 미주신경 자극술(vagus nerve stimulation)을 개선하는 연구도 수행 중입니다.

뇌-몸 의사소통 연구와 맞물려, 저희는 섭식(ingestion), 체온 조절(thermoregulation), 사회적 행동(social behavior)과 같이 동물의 항상성(homeostasis) 유지를 위한 본능적인 생존 행동(innate survival behavior)의 신경회로 메커니즘을 연구하고 있습니다. 본능적인 행동을 유발하거나 누그러뜨릴 수 있는 음식/물, 위장 팽창, 열, 페로몬 등의 감각 자극은 실험쥐에게 정확하게 전달하기 쉬워, 해당 감각 자극이 뇌로 들어오는 신경 경로를 찾아내고 그 특성을 체계적으로 조사할 수 있게 해 줍니다. 생존 행동을 일으키거나 조절하는 감각 정보가 전달되는 신경회로에 대한 확실한 지식을 바탕으로, 저희는 감각 신호가 통합되고 행동적, 생리적 반응을 일으키는 신경회로 메커니즘을 밝혀내고자 합니다. 나아가, 저희는 비만(obesity), 스트레스(stress), 우울증(depression)과 같은 대사질환과 정서장애(metabolic and affective disorders) 상황에서 이 신경회로 메커니즘이 어떻게 오작동하고 있는지 규명하고자 합니다.

저희는 신체의 생리학적 상태를 감지하고 조절하는 메커니즘을 분자, 세포, 조직, 장기 및 개체 수준에 걸쳐 상세하면서도 전체적인 틀에서 포괄적으로 이해하고자 하는 통합적 생리학(integrative physiology)의 접근법을 추구합니다. (여기에 대한 더 자세한 내용은 김성연 교수의 기고문을 참고하세요.) 저희 연구실에서는 이 문제들을 해결하기 위해 광유전학(optogenetics), 화학유전학(chemogenetics), 이광자 레이저를 이용한 칼슘 이미징(two-photon calcium imaging) 및 단일 뉴런/앙상블 자극(two-photon single-cell stimulation), 단일세포 RNA시퀀싱(single-cell RNA-seq) 등 현대 신경과학의 가장 최신의 기술을 모두 사용합니다. 또한 저희는 생물 조직에서 구조와 분자 정보를 추출해내는 기술을 개발하고 응용하여, 특정 신경회로의 해부학적 구성을 정밀하게 밝히고 있습니다.