전 세계의 인기를 휩쓴 히어로 영화 시리즈 ‘어벤져스’에는 다양한 능력을 가진 히어로들이 등장한다. 각기 다른 이들은 힘을 합쳐 범우주적인 문제를 해결한다. 현대 과학 연구도 그렇다. 각자의 영역에서 최선을 다하면서 다른 사람과 협력을 하면 더 큰 성과를 낼 수 있다. 김성기 뇌과학 이미징 연구단장을 찾아 그가 꾸린 ‘ 어벤져스’ 팀에 대해 들어봤다.

김성기 뇌과학 이미징 연구단장
이 MRI 기기는 뇌과학 이미징 연구단의 핵심 연구기기다. 현재 사람용 3T, 7T급 장비를 비롯해 동물용 9.4T, 15.2T급 장비를 운용 중이다.

경기도 수원에 위치한 성균관대 N센터. 2015년 완공된 이 건물의 지하부터 3층까지는 IBS 뇌과학 이미징 연구단이 자리하고 있다. 실험 시설을 제외하고 사람이 회의를 하거나 업무 를 보는 사무실 영역은 모두 밖에서 훤히 들어다 볼 수 있도록 통유리 벽을 설치한 점이 눈에 띄었다.

새로운 것을 추구하는 것은 인간의 본능, 새로운 일을 찾아 한국으로

“지하부터 3층까지 뇌과학 이미징 연구단 전체 섹션을 직접 설계했습니다. 같은 연구단에 있는 사람들끼리 서로 무슨 연구를 하고 무엇을 연구하는지 소통을 많이 하자는 의미를 담았어요. 통유리 교수실은 처음엔 많이 낯설어했지만 이젠 다 적응했습니다.”

김성기 뇌과학 이미징 연구단장은 전면 통유리창 사무실에 대해 이처럼 설명했다. 2013년에 IBS 3차 연구단장으로 선정 된 뒤로 연구단을 꾸리는데 공을 많이 들였다.

김 단장은 연구단의 이름처럼 fMRI(기능적 자기공명영상 장치)를 이용해 뇌 반응을 촬영하는 연구를 한다. IBS에 오기 전에는 미국 피츠버그대 폴 로터버 석좌교수로 재직했다. 폴 로터버(Paul C. Lauterbur, 1929~2007)는 현대식 MRI를 개발한 과학자로, 이 연구로 2003년 노벨 생리의학상을 수상 했다. 2007년에 세상을 뜬 뒤 그의 모교인 피츠버그대에서 이름을 딴 석좌교수직을 만들었다. 이 자리에 오르려면 다양한 평가는 물론 로터버 교수의 가족들 동의까지 얻어야 하는 명예로운 자리다.

“2013년에 그만 두고 한국으로 간다고 하니까, 학교 측에서 원하는 것은 뭐든 들어주겠다는 이야기를 하면서 붙잡았습니다. 하지만 새로운 일을 도전하고 싶은 욕구가 더 컸어요.”

지금은 fMRI 전문가지만 박사 전공은 물리화학이었다. 박사후연구원 과정에서는 화학 계열인 NMR(핵자기공명) 분야에서 연구했다. 이 과정이 끝난 뒤 미국 체류와 귀국을 고민하는 단계에서 1991년 미네소타대에서 4T급 연구용 MRI를 구입하고, 이를 이용해 연구하는 연구자를 찾는다는 소식을 들었고, 과감하게 연구 분야를 바꿨다.

“지금까지 살아오면서 (제 경우는) 방향을 바꿨을 때 대부분 잘 됐습니다. fMRI 분야에 10년 넘게 몸을 담고 있으면서 또 새로운 일은 없을까 고민하는데 피츠버그대 동료 교수 하나가 그러더라고요. 개인사에 변화를 주던가 연구 분야를 바꿔보라고요. 때마침 IBS에서 기회를 만들어줬습니다.”

후발주자가 전 세계와 경쟁하기 위해서는 아예 다른 길을 찾아야

한국에 오기로 결정한 뒤에 김 단장은 연구단의 방향에 대해 고민해야했다. IBS는 세계 수준의 기초과학 연구를 위해 설립 된 연구기관이다. 김 단장은 정통적인 연구 방식으로는 세계 유명 연구기관들과 경쟁하기 어렵다고 판단했다.

“연구단은 규모가 클수록 경쟁력이 높아집니다. 가령 피츠 버그대에서는 같은 분야를 연구하는 ‘교수’만 100명이 넘었습니다. 우리나라에서 그렇게 연구단을 운영하기는 현실적으로 어렵지요. 새로운 방법을 생각해야만 했습니다.”

김 단장의 이런 고민이 녹아 태어난 것이 현재의 뇌과학 이미징 연구단이다. MRI 분야에 한정짓지 말고 본격적으로 연구를 크게 키워보기로 했다. 그 결과 현재 다섯 개 분야 팀이 연구단에 소속돼 있다. 김 단장이 직접 이끄는 MRI 팀 외에 뇌공학팀, 신경생물학팀, 뇌인지과학팀, 계산 신경학팀이 있다. 각각의 팀은 독립적으로 각 분야를 연구하면서 동시에 서로 간의 연구를 보완할 수 있도록 유기적으로 연결돼있다. 김 단장은 “짧게 보면 시너지가 없는 것처럼 보일 수 있지만 길게 보면 결국 이 방식이 경쟁력 있을 것”이라고 말했다.

연구단의 홈페이지를 보면 이미 약 350여 개의 논문 성과가 공개돼 있다. 생각보다 많은 편수에 놀라자 김 단장은 정확하게 알아야 한다며 손사레를 쳤다. 연구단의 연구는 이제 시작 했다는 거였다.

“제대로 된 논문은 보통 수년씩 걸리기 마련입니다. 2013년부터 첫 3년 동안은 사실상 연구보다는 연구단을 꾸리는데 집중했어요. 연구단이 안정적으로 정착되고, 지난해부터 비로 소 진짜 ‘뇌과학 이미징 연구단’의 성과 논문이 나오기 시작했습니다.”

그럼에도 몇 가지 꼽아달라고 요청하자 김 단장은 두 가지 논문을 이야기했다. 하나는 혈류 변화와 뇌 신경세포간의 연관 관계를 밝힌 연구1)다. 뇌 신경세포의 흥분 정도는 뇌의 반응을 파악하는 중요한 열쇠다. 예를 들어 뇌전증처럼 신경세포가 일시적으로 과도하게 흥분해 일어나는 질환의 경우 언제, 왜 흥분하는지 알아내는 것이 근본적인 치료 방법을 찾는 첫 단추다. 연구팀은 뇌에서 흐르는 혈류량과 뇌 신경세포가 흥분하는 관계성에 대해 설명해냈다.

두 번째는 인간이 색을 인지했을 때 뇌에서 어떻게 반응하는지를 찾아낸 연구2)다. 이전까지는 색을 인지했을 경우, 뇌에서 정말‘색’을 인지한 것인지, 아니면 함께 일어나는 변화(색깔 카드를 바꾸는 등)에 반응하는지 판단하기 어려웠던 것을 보다 정밀한 방법으로 구분해냈다.

서로 전혀 다른 분야인 것 같으면서도 공통적인 부분은 이 연구들의 근간에 fMRI를 활용한 이미징 기술이 쓰여진다는 점이다. 바로 김 단장의 전공 분야다.

뇌과학 이미징 연구단은 크게 두 가지 목표를 갖고 앞으로 나아간다. 첫 번째는 인간 인지 뇌 지도를 만드는 일이다. 게임 을 하거나 책을 읽고, 대화를 할 때 뇌가 어떻게 반응하는지 그려내는 것이 목표다. 두 번째는 생물 연구에서 많이 사용하는 실험동물인 마우스 뇌 지도를 작성해 마우스를 사용하는 연구에 한 차원 높은 정보를 제공하는 것이 목표다.

어차피 해야 하는 일, 즐겁게 책임감을 갖고 하길

“아마 미국에서 연구단을 만들었다면 이런 (서로 다른 팀을 묶는) 방식으로 하지 않았을 겁니다. 제가 잘 모르는 분야까지 끌어안고 책임지는 것은 정말 어려운 일이거든요. 그래도 그 분야 전문가들을 믿고 함께 연구하는 중입니다.”

김 단장은 연구책임자로서 어려운 점이라고 말했지만 그래도 다른 분야를 함께 보는 것은 좋은 일이라고 추천했다.

“연구하던 분야를 떠나 새로운 분야를 시작하게 되면 잘 모르기 때문에 기본부터 차분히 다시 공부해야합니다. 이 과정에서 기존 연구자들이 미처 생각하지 못했던 것을 찾아낼 때가 많습니다. 지금까지 저도 그래왔고, 처음엔 어렵고 힘들긴 해도 결과적으론 잘 풀렸습니다.”

그렇다면 그‘어렵고 힘든’과정을 버티게 한 원동력은 무엇일까. 김 단장은 아주 기본적이고 간단한 답을 내놨다. 바로‘재미’였다.

“연구는 어렵고 힘들지만, 성취해냈을 때 그 기쁨이 아주 큽니다. 마치 큰 산을 오를 때는 힘들지만 오르고 나면 뿌듯한 것처럼요.”

돈이나 명예 같은 다른 가치를 따졌다면 애초에 교수 생활 을 오래하지도 않았을 거라며 시원하게 웃었다. 정말 ‘ 연구의 즐거움’에 빠져있는 모습에 뻔하지만 묻지 않을 수 없는 질문을 마지막으로 던졌다. 이제 막 연구에 뛰어드는 후배들을 향해 조언을 해달라는 요청에 김 단장은 시원스럽게 답변했다.

“스스로를 연구책임자라고 생각하고 적극적으로 연구에 참가했으면 좋겠습니다. 연구과정이 어렵고 힘들지만 적극적으로 참가했을 때 성취감이 더 클겁니다. 그런데 그게 아니더라도 어차피 해야할텐데 이왕이면 즐겁고 재미있게 하는게 좋지 않을까요?”

마우스의 뇌를 촬영하기 위해 준비 중인 김성기 단장 과 강해연 학생연구원. 뇌의 반응을 보기 위해서는 외 부 자극에 반응하지만 움직이지는 않는 상태를 만들어야 한다.

발표논문

1) Hyun Seok Moon, Haiyan Jiang, Thanh Tan Vo, Won Beom Jung, Alberto L Vazquez, and Seong-Gi Kim, Contribution of excitato\-ry and inhibitory neuronal activity to BOLD fMRI, CEREBRAL CORTEX, 1-15(2021).

2) Insub Kim, Sang Wook Hong, Steven K. Shevell, and Won Mok Shim, Neural representations of perceptual color experience in the human ven\-tral visual pathway, PNAS 117(23), 13145-13150(2020) 49