‘창업(創業)은 쉬우나 수성(守成)은 어렵다’는 고사성어의 과학적 원리가 밝혀졌다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 신희섭 명예연구위원 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 뇌과학연구소 조일주 단장 연구팀과 공동으로 ‘초소형 무선 뇌 신호 측정 시스템’을 개발했다. 나아가 경쟁에서 목표물을 얻기보다 지키는 행동이 중요함을 밝혔다.

‘경쟁’은 대표적인 사회적 상호작용이지만, 내측 전전두엽¹⁾이 관련 있다고 알려졌을 뿐 신경과학적으로 밝혀진 바가 거의 없다. 기존의 뇌 신호 측정도구는 대부분 유선인데다 무거워 동물실험에 한계가 많았다. 최근 무선 시스템이 개발됐지만, 시스템 간 신호 간섭 때문에 여러 동물이 필요한 사회성 실험에는 적용이 어려웠다.

연구진은 기존의 한계를 극복한 ‘초소형 무선 뇌 신호 측정 시스템’을 개발했다. 이는 블루투스 무선통신²⁾과 신호분석 칩을 적용하여 여러 생쥐의 뇌 활동을 무선으로 실시간 동시 측정 및 분석할 수 있다. 매우 작고 가벼워(1.5x1.5x2cm, 3.4g) 동물 행동에 제약을 주지도 않는다.

연구진은 경쟁 시 행동과 뇌 활동의 연결고리를 찾고자 공복상태의 생쥐 두 마리에 개발한 시스템을 장착, 먹이 경쟁 실험을 진행했다. 직사각형 상자 내 시작 영역에 두 마리 생쥐가 동시에 들어가면, 맞은편에 먹이를 제공하여 경쟁을 유도했다. 내측 전전두엽 분석 결과, 먹이를 빼앗거나 지킬 때 뇌 활동이 활발해짐을 확인하였다. 내측 전전두엽이 경쟁 중 목표물 뺏기와 지키기 행동과 직접 연관됨을 알 수 있다.

특히 뇌 활동은 상대의 먹이를 빼앗은 후 이를 지키는 행동으로 전환할 때 더욱 격렬해졌다. 경쟁 시 목표물을 쟁취하는 것보다 지키는 행동이 더 힘들고 중요하다는 의미다.

조일주 단장은 “행동에 따른 뇌 신호 변화 관찰에 유용한 도구를 개발했다”며 “이에 약물 전달, 빛 자극 등 다양한 기능을 추가하여 뇌 작동 원리 규명 및 뇌 질환 정복에 기여하고자 한다”고 전했다.

신희섭 명예연구위원은 “자유롭게 행동하는 동물간 경쟁에서 중요한 행동 유형을 발견하고, 그에 따른 뇌 신호를 관찰한 것은 이번이 최초”라며, “경쟁을 비롯한 다양한 사회성 연구에 확대 적용할 계획”이라고 전했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스 (Biosensors and Bioelectronics, IF 10.618)’에 2021년 10월 5일에 온라인 게재되었다.

개발한 초경량 무선 뇌 신호 측정 시스템 및 시스템이 장착된 생쥐 사진. 30mAh 리튬폴리머 배터리, 크라운, 뉴럴 프로브, 초경량 무선 뇌신호 측정 시스템으로 만든 시스템.
▲ [그림1] 개발한 초경량 무선 뇌 신호 측정 시스템 및 시스템이 장착된 생쥐 사진(왼쪽) 초경량 무선 뇌 신호 측정 시스템을 포함한 무선 뇌 신호 측정을 위해 필요한 구성요소, (오른쪽) 전체 시스템이 장착된 생쥐 모습

개발한 시스템을 이용하여 자유롭게 행동하는 6마리 생쥐의 뇌신호를 동시 측정하는 실험 장면 및 결과
▲ [그림 2] 개발한 시스템을 이용하여 자유롭게 행동하는 6마리 생쥐의 뇌신호를 동시 측정하는 실험 장면 및 결과(왼쪽) 개발한 시스템을 이용하여, 자유롭게 행동하는 6마리 생쥐의 뇌 신호를 측정하는 실험 장면, (오른쪽) 각 생쥐로부터 측정된 뇌신호

개발한 시스템을 이용한 음식 경쟁 테스트 모식도 및 측정 결과. 1) 음식 경쟁 테스트(전체 10분). 전체 실험 공간은 가로 10cm, 세로 40cm. 상단에 먹이 제공 영역 중간에 생쥐1, 생쥐2. 하단에 시작 영역. 파란색 LED를 먹이 제공 영역의 좌측에 설치하고 작은 먹이 알갱이(20mg)를 배치함. 2) 생쥐 1과 생쥐 2의 세포가 시간의 경과와 경쟁 구간에 따라 반응하는 것을 세포 번호별로 나타낸 그래프.
▲ [그림 3] 개발한 시스템을 이용한 음식 경쟁 테스트 모식도 및 측정 결과(왼쪽) 음식 경쟁 테스트 모식도. 두 마리 생쥐가 시작 영역에 들어가면 먹이가 제공된다. (오른쪽) 전체 10분 동안 측정된 뇌 신호를 시각화한 그래프.

개발한 시스템을 이용한 음식 경쟁 테스트. 1) 경쟁 시작. 32.5 sec . 2) 첫번째 생쥐 도착. 42.5 sec . 3) 음식 경쟁. 43.7 sec . 4) 경쟁 종료. 57.3 sec .
▲ [그림 4] 개발한 시스템을 이용한 음식 경쟁 테스트두 마리 생쥐가 시작 영역에 들어간 후 작은 먹이 알갱이가 제공됨에 따라 음식 경쟁을 하는 일련의 실험 과정.

먹이를 지키는 행동과 빼앗는 행동에서 내측 전전두엽의 뇌신호 변화
▲ [그림 5] 먹이를 지키는 행동과 빼앗는 행동에서 내측 전전두엽의 뇌신호 변화먹이를 지키는 행동과 빼앗는 행동에서 내측 전전두엽의 뇌 신호 발화율이 증가함을 보여주는 그래프이다.

먼저 도착한 생쥐와 뒤늦게 도착한 생쥐의 각 행동별 내측 전전두엽의 뇌신호 발화율 비교 그래프
▲ [그림 6] 먼저 도착한 생쥐와 뒤늦게 도착한 생쥐의 각 행동별 내측 전전두엽의 뇌신호 발화율 비교 그래프먼저 도착한 생쥐와 뒤늦게 도착한 생쥐에서 지키는 행동, 빼앗는 행동 그리고 후퇴하는 행동과 나머지 행동들 사이에 평균 발화율을 비교하는 그래프들이다. 두 생쥐 모두 먹이를 지키는 행동과 빼앗는 행동에서 평균 발화율이 증가하였다.

뒤늦게 도착한 생쥐가 먹이를 빼앗는 행동에서 지키는 행동으로 전환할 때의 내측 전전두엽의 뇌신호 변화
▲ [그림 7] 뒤늦게 도착한 생쥐가 먹이를 빼앗는 행동에서 지키는 행동으로 전환할 때의 내측 전전두엽의 뇌신호 변화(왼쪽) 뒤늦게 도착한 생쥐가 앞선 생쥐의 먹이를 빼앗은 뒤 이를 지키는 행동으로 전환하는 과정을 나타낸 모식도, (오른쪽) 먹이를 빼앗는 행동에서 지키는 행동으로 전환할 때 내측 전전두엽의 뇌신호 발화율이 증가함을 보여주는 그래프이다.

1) 내측 전전두엽 (medial pre-frontal cortex): 대뇌 전두엽의 안쪽 부분. 인지, 사고 및 사회적 행동과 관련이 있다.

2) 블루투스 무선통신: 2.4GHz의 라디오파를 사용하는 일대일 근거리 무선 통신 기술로서, 신호 간섭이 잘 일어나지 않는 장점이 있다.