보고서 정보
주관연구기관 |
대구교육대학교 |
연구책임자 |
임우창
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-11 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201700014326 |
과제고유번호 |
1345239881 |
사업명 |
이공학개인기초연구지원 |
DB 구축일자 |
2017-11-25
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700014326 |
초록
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복잡 신경계에서 뇌전도와 국소장 포텐셜에서 관측되어지는 건강과 질환에 연계된 뇌리듬이 많이 연구되어져 오고 있다. 특히, 최근에 행동 상태에서 발생하는 다양한 인지 기능(감각 감지, 특성 통합, 선택적 주시, 기억 형성과 장기 저장, 운동 준비 및 억제 등)과 연계된 인지 뇌리듬에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 인지 뇌리듬은 집단적으론 빠른 진동을 보이는데 반해, 세포 수준에서는 개별 뉴런들이 가이거 계측기처럼 간헐적이면서 불규칙한 발화 패턴을 보인다. 이와 같이 희박하게 동기화된 인지 뇌리듬 연구에서 기존에 사용된 연
복잡 신경계에서 뇌전도와 국소장 포텐셜에서 관측되어지는 건강과 질환에 연계된 뇌리듬이 많이 연구되어져 오고 있다. 특히, 최근에 행동 상태에서 발생하는 다양한 인지 기능(감각 감지, 특성 통합, 선택적 주시, 기억 형성과 장기 저장, 운동 준비 및 억제 등)과 연계된 인지 뇌리듬에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 인지 뇌리듬은 집단적으론 빠른 진동을 보이는데 반해, 세포 수준에서는 개별 뉴런들이 가이거 계측기처럼 간헐적이면서 불규칙한 발화 패턴을 보인다. 이와 같이 희박하게 동기화된 인지 뇌리듬 연구에서 기존에 사용된 연결망 구조는 대역 결합 연결망(globally-coupled network)과 무작위 연결망(random network)뿐이다. 지난 50년대 말 헝가리 수학자 Erdos와 Reyni가 무작위 연결망을 도입한 이래, 복잡 연결 구조를 무작위 연결망으로 보통 모형화해 왔다. 이러한 경향에 맞추어서, 계산 신경과학자들도 우선 가장 다루기 쉬운 대역 결합 신경망을 공부한 후에, 신경계의 복잡연결을 모형화한다는 취지로 무작위 신경망을 많이들 공부해오고 있다. 그러나, 무작위 신경망에서는 단거리 (축색돌기) 연결과 장거리 연결이 똑같은 확률로 등장하는 비경제적인 연결망이라는 문제점이 있다. 장거리 연결은 멀리 떨어진 뉴런간 대역 소통을 용이하게 하는 역할을 하지만 물질과 에너지 측면에서 많은 비용을 치루게 되므로, 와이어링 경제 측면에서 보면 뇌구조는 최적의 뇌기능을 수행하는 경제적인 신경망으로 진화되어 간다고 믿고 있다. 게다가, 무작위 신경망에서는 장거리 시냅스 연결이 전체적으로 균일하게 분포되어 있는데 반해, 실제 불균일한 신경망에서는 소수의 허브 뉴런에 장거리 연결이 집중화되어 있다. 이와 같이 실제 피질 신경회로는 규칙적이지도 않으면서, 완전히 무작위하지도 않은 복잡한 위상[예를 들면, 좁은 세상(small-worldness), 무척도(scale-freeness), 모듈화(modularity) 등]을 가지고 있다. 최근 10여년에 걸쳐서, 사회, 생물, 기술 등 다양한 복잡계 분야에서 복잡 연결망 과학이 놀라울 정도로 발전되어 왔다. 우리는 희박하게 동기화된 인지 뇌리듬에 관한 기존 연구에서 연결망 구조의 한계를 극복하기 위해서, 학문 융합적 접근 전략을 채택했다. 계산 신경동역학(computational neurodynamics)과 복잡 연결망 과학(complex network science)을 융합시키고, 기하학적 와이어링 경제도 고려하면서 경제적인 복잡 신경망에서 최적의 희박하게 동기화된 인지 뇌리듬 발현을 탐구했다.
1차년도에서는 스파이킹(spiking)/버스팅(bursting) 뉴런들로 구성된 복잡 신경망으로, 규칙적인 격자(regular lattice)와 무작위 그래프(random graph)를 재연결(rewiring)을 통해서 보간(interpolation)하는 Watts-Strogatz 좁은 세상 연결망(small-world network) 모형을 선택했다. 이러한 좁은 세상 연결망은 소수의 장거리 연결과 다수의 단거리 연결을 가지고 있어서, 규칙적인 격자에 비해서는 평균 경로 길이가 훨씬 짧아서 대역 소통이 용이하고, 무작위 연결망보다는 국소 군집계수는 높아서 이웃끼리 연계성이 강해진다. 우리는 재연결 확률을 바꾸면서 연결망 위상 분석(복잡 연결망 과학), 연결망 동역학(계산 신경동역학), 연결망 기학학적 분석(와이어링 경제)과 뇌진화에 적합한 동역학적 효율성 분석을 통해서, 경제적인 좁은 신경망에서 최적의 희박하게 동기화된 스파이킹/버스팅 뇌리듬의 발현을 발견하였다. 특히, 스파이킹 뉴런의 동기화를 특성화하기 위해 우리가 처음으로 도입한 실제적인 통계역학적 측도를 버스팅 뉴런 경우의 버스트와 스파이크 동기화 각각을 특성화하기 위해 확장 발전시켰다. 게다가, 모듈화를 고려해서 좁은 세상 부분 신경망들로 구성된 군집 신경망(clustered neural network)에서 빠른 희박하게 동기화된 리듬의 발현에 미치는 부분 신경망들 사이의 상호 연결(inter-connection)의 영향도 탐구했다. 그러나, 이러한 좁은 세상 연결망은 무작위 연결망과 같이 장거리 연결들이 전체적으로 균일하게 분포되어 있다. 거기에 반해, 2차 년도에서는 불균일한 척도 없는 신경망(scale-free neural network)을 공부했다. 이 경우에 소수의 허브 뉴런들은 상당히 많은 시냅스 연결을 가지고 있는데 반해, 다수의 변방 뉴런(peripheral neuron)들은 약간의 시냅스 연결만 가지고 있다. 이러한 무척도성은 쥐 해마 연결망(rat hippocampal network)과 인간 피질 기능 연결망 등에서 발견되었다. 변형된 Barabasi-Albert 척도없는 신경망 모형에서 여러 매개변수를 바꾸면서, 복잡 연결망 과학과 계산 신경동역학을 융합시킨 학문융합적 접근 전략을 통해서 스파이킹/버스팅 뉴런들의 희박하게 동기화된 뇌리듬 발현을 발견하였다. 1-2차년도에서 공부한 Watts-Strogatz 좁은 세상 신경망 모형과 변형된 Barabasi-Albert 축척없는 신경망 모형과 달리, 실제 신경망에서 다수의 뉴런들은 단거리 연결 시냅스만 가진 국소 뉴런(local neuron)들이고, 소수의 장거리 뉴런(long-range neuron)들이 주로 대역적 영향을 준다. 3차년도에선 장거리 뉴런과 국소 뉴런 두 부분 집단으로 이루어진 불균일한 좁은세상 신경망에서 장거리 뉴런수 비율을 바꾸면서, 희박하게 동기화된 뇌리듬 발현을 발견했다. Watts-Strogatz 좁은 세상 신경망은 개별 뉴런들이 거의 같은 연결수(degree)와 매개 중심성(betweenness centrality: 뉴런이 중개자로서 다른 뉴런들 사이의 소통에 미치는 영향력)을 가진 균일한 신경망이며, 장거리 연결선은 무작위로 균일하게 모든 뉴런들로부터 나오게 된다. 반면에, 우리가 공부한 불균일 좁은 세상 신경망에서는 장거리 연결이 장거리 뉴런들로부터만 불균일하게 등장하며, 장거리 뉴런들의 매개 중심성이 국소 뉴런들 것보다 훨씬 크다. 따라서, 균일한 Watts-Strogatz 좁은 세상 신경망과 달리, 외부 자극에 대한 동역학적 반응도 어느 부분 집단에 자극을 가했는지에 따라 달라짐을 발견했다.
우리의 연구결과는 복잡 신경망 연결 구조가 희박하게 동기화된 인지 뇌리듬 발현에 미치는 효과에 대한 이해 증진에 큰 공헌을 할 것으로 기대한다. 그리고, 우리가 공부하는 인지 뇌리듬은 다양한 인지 기능과 연계되어 있을 뿐만아니라, 정신 분열증과 자폐 스펙트럼 장애와 같은 인지 기능장애 뇌질환 환자에서는 손상된 인지 리듬이 관측이 되어지고, 정보 통합, 기억, 선택적 주시 등에 장애를 보이게 된다. 따라서, 우리 연구 결과는 인지 뇌기능과 뇌질환에 대한 기본적인 이해에도 도움을 줄 것으로 기대한다.
(출처 : Ⅰ. 연구결과 요약문 3P)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 목차 ... 2
- Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
- Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
- 1. 연구과제의 개요 ... 4
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
- 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 6
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 6
- Ⅲ. 연구성과 ... 7
- 끝페이지 ... 10
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