▲박수현 교수님 ([email protected])

 

2007.2 서울대학교 심리학과 학사 졸업

2013.8 서울대학교 뇌인지과학 협동과정 박사 졸업 (PI: 이상훈)

2013~2023 NIH(National Institutes of Health, 美 국립보건원) 박사후 연구원 (PI: David Leopold)

2023.8~ 現 카이스트 뇌인지과학과 조교수

 

 

 

Rhesus macaque, Common Marmoset과 같은 원숭이 모델로 사회적 시각 정보의 처리를 연구하고 있습니다. 

 

▲Rhesus macaque

 

 

▲Common Marmoset

 

 

 

시각 정보 중 사회적으로 중요한 의미를 가진 것을 말합니다. 대개 타인에 대한 정보로써, 누군가의 얼굴을 보고 신원을 인식하거나, 감정 상태를 평가하고, 어떤 행동을 보고 그 의도를 추측하는 행위가 전부 사회적 시각 정보 처리죠. 인간과 영장류의 경우 사회적 정보의 처리를 시각에 크게 의존하고 있지만 그 과정이 어떻게 일어나는지 밝혀지지 않은 부분이 많아요. 그래서 저는 타인의 행동을 보고, 행동의 의도나 의미를 파악하는 과정에서 신경의 작용 기전을 연구합니다. 

 

 

그럼요. 몇 가지 예시를 들어 볼까요. 영장류는 다른 영장류의 얼굴 생김새를 파악하고 알아봐요. 표정 변화와 몸짓, 소리 등의 정보를 합쳐 다른 영장류의 감정도 평가하는데, 그중 시각에 많이 의존하죠. 다른 개체의 행동이 나에게 호의적인지 적대적인지, 누가 서열 우위에 있는지 등 ‘의도’를 파악할 수도 있습니다. 대표적인 사회적 시각 정보 중 하나가 타인의 시선인데요, 사람이 다른 사람의 시선을 따라가듯이 영장류도 다른 개체의 시선을 따라간다는 사실이 잘 알려져 있죠. 

 

 

우리와 영장류의 뇌에서 사회적 시각정보를 처리하는 부분은 측두엽의 superior temporal sulcus (STS, 위측두고랑)이라는 주름 부근입니다. 몸, 눈, 얼굴의 움직임 등을 포착하는 세포들이 여기 모여 있죠. 

 

 

▲영장류에 속하는 다양한 동물들의 STS. 사진 속 파란 선으로 표시된 부위가 STS이다. (출처: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-4-431-56582-6_16)

 

 

이 부위의 활성을 연구하기 위해 대개 영장류에게 다른 개체가 사회적 행동을 하는 이미지를 보여주고, 그 때 fMRI로 뇌 영상을 촬영하거나, 관련된 영역의 신경 세포들의 신호를 측정하는 방법을 많이 씁니다. 하지만 저는 포스닥을 하면서 이미지 대신 비디오를 사용해 연구했어요. 그 결과 STS의 어떤 세포들은 이미지를 사용했을 때와 비디오를 사용했을 때 활성 패턴에 분명한 차이를 보였고, 나아가 연관성이 있을 것이라 예상하지 못했던 다른 뇌 영역들과도 다양하게 상호작용한다는 것을 알 수 있었습니다.

 

 

맞아요. 분석은 훨씬 까다로워졌지만, 이미지와 다르게 연속적이고 역동적이며 훨씬 자연스러운 상황에서 반응을 관찰할 수 있습니다. 실제로 짧은 순간 제시되는 이미지를 수동적으로 볼 때와, 다이나미한 비디오를 눈을 움직이면서 자유롭게 볼 때 세포와 전체 뇌 활동이 분명한 차이를 보였고요. 이에 착안해서 앞으로는 비디오로 촬영한 원숭이들의 자연스러운 행동들을 정량화하고, 촬영된 행동 비디오를 바탕으로 재구성도 하고 체계적으로 조작해서 영상 속 두 원숭이 중 한 마리는 없앤다던가, 형태를 알아보기 힘들게 바꾸는 식으로 변수를 만들어내면서 STS의 여러 영역의 활동을 관찰할 계획입니다. 

 

 

 

우선, 처음 연구를 시작하게 된 계기는 시각에 대한 호기심이었어요. 내가 보는 세상이 내 머릿속에서 어떻게 처리되는지 궁금해서 대학원을 다니며 사람을 대상으로 연구했죠. 박사과정 때 fMRI로 일차 시각 피질에서 삼차 시각 복합체로 전달되는 신경 회로를 연구했는데, 제가 속해 있던 서울대학교 이상훈 교수님의 연구실은 여타 fMRI 연구실보다 미시적인 수준에서 fMRI 영상을 분석했습니다. 보통 이미지가 픽셀(pixel)이라는 최소 단위로 이루어져 있는 것처럼, fMRI 영상을 이루는 최소 단위를 복셀(voxel)이라고 하는데, 이 복셀 하나를 하나의 뇌세포처럼 간주하고 복셀끼리 어떻게 상호작용하는지를, 마치 single-unit recording 하는 곳에서 신경 회로 연구하듯 연구했어요. 

 

그러다보니 박사 과정이 끝날 때쯤엔 복셀 너머의 세상이 궁금해지더군요. 복셀 하나에 수많은 뇌세포가 포함돼있기에 fMRI 영상에 나타나는 혈류 역학 반응만으로는 알 수 없는 뇌세포의 반응을 측정하고 싶었고 조작하고 싶었죠. 즉 우리 뇌의 특정한 활성과 특정한 행동 사이 관련성을 알고 싶다는 목표는 여전했되, ‘특정한 활성’이 좀 더 미시적인, 세포 단계의 것이었으면 했습니다. 그러나 실제 사람의 뇌를 세포 수준으로 조작하는 것은 불가능하므로 사람과 가장 비슷한 영장류가 저의 새로운 연구 대상이 된 것입니다. 마침 원숭이를 연구하는 실험실에서 저를 받아 주어서 새로운 주제로 포스닥 과정을 시작했죠. 

 

 

사람의 뇌가 궁금한데 세포 수준의 연구를 하고 싶다면 사실상 유일한 모델이라 생각합니다. 진화적으로도 해부학적으로도 사람의 뇌와 다른 모델 동물, 쥐 등의 뇌는 크게 차이나니까요. 특히 저는 시각을 연구하기 때문에 영장류가 사람과 같이 시각 정보에 크게 의존한다는 점이 마음에 들었어요. 

 

물론, 현실적으로 어려운 점들도 있죠. 개체 한 마리 한 마리가 쥐 같은 다른 모델 동물에 비해 귀하기 때문에 연구의 설계 역시 다를 수밖에 없습니다. 프로토콜을 수정하거나 최적화하거나 실험 도중 있었던 문제를 해결할 때 바로바로 하기 힘들고, 신중하게 생각하고 많은 사전 준비를 거쳐야 하죠. 연구 끝에 나온 결과를 다른 모델 동물로 한 연구 결과와 연관지을 때도 많이 고민이 필요하고요. 

 

 

원숭이 연구는 얼마 전까지만 해도 N=2가 표준이었죠. N=3이면 ‘세 마리나 했어?’ 할 정도였고요. 최근에 들어서 조금 더 늘어나는 추세예요. 

 

그렇게 수가 적으면 연구 재현성에는 문제가 없느냐는 질문을 많이들 하는데, 이 분야에서는 조금 경우가 달라요. 실험 하나에 대해서는 두 마리, 세 마리 정도로 피실험체가 적지만 하나의 연구실에서 비슷한 설계의 실험으로 계속 논문을 내는 일이 많거든요. 그래서 그 실험실에서 수십년동안 재현돼온 데이터가 있다고 봐요. 

 

 

 그런 일이 많아요. 비디오를 보여줘야 하는데 눈을 감고 있는 등, 굉장히 티나게 싫어하죠. 뿐만 아니라 연구하다보면 피실험체와 오랜 시간을 상호작용하기 때문에 원숭이가 나를 알아보고, 원숭이와 교감하는 듯한 느낌이 많이 듭니다. 감정을 표현하는 방식이 인간과 비슷하고 직관적으로 이해되기 때문에 따로 무엇을 하지 않고 행동을 관찰하는 것만으로도 여러 연구 아이디어를 얻기도 해요. 

 

 

코로나 이후로 전 세계적으로 원숭이 수급이 매우 어려워지고 원숭이 한 마리당 가격이 많이 올랐어요. 코로나 백신 개발 때문에 원숭이를 이용한 연구가 증가하면서 수요가 급등한 데다가, 전 세계 실험용 원숭이 공급의 90% 가량을 담당하던 중국이 2019/2020년도에 원숭이 수출 금지령을 내렸거든요. 대신 중국의 거대 바이오 기업들은 유전자 변형 원숭이를 개발하는 등, 개체수가 많이 필요한 연구를 독점하고 있죠. 또 2014년 경부터 원숭이를 일반적인 항공기로 실어 나르는 게 불가능해지면서 전용기를 이용하거나 선박을 이용해야 해 수송도 까다로워졌고요. 

 

국내에도 마모셋 원숭이가 있지만 타기관으로 분양이 불가능했는데, 정부가 모델동물자원 인프라 개선에 나서 마모셋 수급처를 유럽에 새로 찾고, 전용기를 띄우는 등 각고의 노력 끝에 올해 초에 분양이 가능한 마모셋 개체가 국내에 수입되었습니다. 카이스트에도 다른 연구소, 기관과의 협력을 통해 영장류 연구를 하는 분들이 계시지만, 독자적인 원숭이 연구 라인을 가진 분은 지금까지 없었기 때문에, 제가 최초로 셋업을 맡아 열심히 노력하고 있습니다. 국내를 통틀어 영장류로 뇌를 연구하는 곳은 한 손에 꼽을 수 있을 정도로 적거든요. 학생들에게도 우리 연구실의 존재가 좋은 기회라 생각합니다.  

 

 

 

그동안 강의 준비에 많은 시간을 투자했습니다. 부임한 뒤로 심리행동과학, 인지신경회로, 24년도 가을학기 현재 진행 중인 뇌과학의 역사까지 매 학기 새로운 강의를 열었거든요. 제가 포스닥을 한 곳이 대학이 아닌 연구소이기 때문에 강의를 해본 경험이 없어 긴장이 좀 됐어요. 그런데 기대 이상으로 굉장히 재미있었고 보람을 많이 느꼈고, 그래서 더 열정과 시간을 쏟았습니다. 

 

연구자로서 우선적인 목표는 마모셋 원숭이로 실험할 수 있는 공간과 시설을 교내에 세팅하는 것입니다. 메타융합관 내부는 뇌인지과학과 연구실들이 함께 쓰는 공간으로 이미 세팅이 되어있기 때문에 다른 건물의 공간을 할당받아 사용할 예정이에요. 슬슬 박차를 가하기 시작했는데, 혹시 관심 있는 학생이 있다면 셋업을 함께하며 어디에서도 얻을 수 없는 지식을 배워갈 수 있으리란 말을 전합니다. 

 

세팅이 끝나고 나면 본격적으로 원숭이의 신경 회로를 연구해야겠죠. 우리 과 내부에 다양한 연구실이 있는 만큼 필요에 따라 다른 연구실과 공동 연구를 추진하고 싶습니다. 실험동물로써 원숭이의 한계 중 하나가, 유전자 변형 원숭이가 아직 보편적이지 않다는 거예요. 유전자 변형 쥐는 굉장히 흔한데 말이죠. 생쥐 모델에서 활발히 이루어지는 세포 유형 특이적인 조작이 사실 여러 유전자 변형 생쥐를 이용해서 이루어지다 보니, 원숭이 모델에서는 그 정도 수준의 조작을 하기는 현실적으로 거의 불가능합니다. 따라서 쥐에도 있는 회로라면 다른 연구실과 협업해 쥐의 뇌에서 정교한 조작을 통해 회로의 면면을 더 구체적으로 연구하고 싶어요. 또 다른 목표는, 제가 박사 과정까지 사람을 대상으로 연구했다보니 심리학적, 인지과학적 질문을 여러 개 품고 있거든요. 인간을 대상으로 타인의 행동에 대한 이해가 어떻게 이루어지는지 관찰하고 뇌파 등을 측정한 다음, 원숭이에서는 비슷한 행동과 함께 신경 회로를 관찰한다면 좋은 연구가 되리라 생각해요.

 

 

 

제가 스스로 생각하는 장점은, 글쎄요. 다양한 호기심과 꾸준함, 그리고 긍정적인 자세, ‘꺾이지 않는 마음’인 것 같아요. 그리고 포스닥 때 지도 교수님이 저더러 ‘bold decision을 잘 내린다’고 하신 적 있어요. 지적 호기심에 기반해서 어떤 질문이 재미있어 보인다, 그러면 그냥 해보는 스타일입니다. 그러다 보니 자연스레 남들이 해본 적 없는 실험, 나온 적 없는 논문을 쓰게 된 것 같아요. 

 

포스닥 때 원숭이를 모델로 해서 얼굴을 인식하는 신경 세포의 활동과 fMRI 영상 속 전체 뇌의 활동을 비교하는 분석을 했어요. 원숭이가 다른 원숭이를 촬영한 비디오를 보는 동안 얼굴을 인식하는 부분도 활성되겠지만, 동시에 뇌의 다른 영역도 활성되며 영향을 주고받을 거라 생각했거든요. 그렇게 상관을 구해서 얼굴을 인식하는 영역의 특정 세포와 관련된 뇌의 다른 영역을 찾고, 일종의 지도를 만들었어요. 이런 식으로 Single-unit recording (한 개의 신경 세포를 정확히 타겟해 활성을 측정하는 것)의 결과와 fMRI 이미징의 결과를 연관지은 연구가 창의적이라는 평가를 많이 받았어요. 지도 교수님 왈 설령 이런 아이디어가 떠올라도 ‘open-ended question’이 두려워서 실제로 하지는 않는 사람이 대부분인데 저는 스스럼 없이 실행에 옮겼다고 하더군요. 이처럼 필요하다면 결단력 있는 선택을 내리는 게 저의 장점 같습니다.

 

 

 

차이가 많습니다. NIH는 연구소다보니 학생이 없고 포스닥 과정을 밟는 사람 비율이 가장 많아요. 포스닥이면 독립된 연구자니 각자 자신의 연구를 한느 분위기고, 성과를 내야 한다는 압박도 높은 편이죠. 또 정부에 소속된 국가 기관이라 행정상, 보안상 절차가 까다롭고 많았어요. 반면 연구비 펀딩은 안정적으로 되는 편이고요. 

 

대학에는 학생들로부터 나오는 에너지와 생동감이 있어요. 특히 카이스트에 부임하고 새로운 시도, 창의적인 연구를 해보려는 의지가 있음을 많이 느꼈습니다. NIH에서 새로운 것을 하려면 굉장히 많은 절차와 주변의 반대, 빨리빨리 성과를 내야 한다는 압박을 통과해야 했거든요. 연구실을 이끄는 PI가 된 만큼 어디에나 그런 압박은 있지만, 카이스트의 새로운 것에 대한 도전을 장려하는 분위기는 매우 인상 깊고, 다른 곳과의 큰 차이라고 생각합니다.

 

 

 

제 실험실은 카이스트에서 유일하게 원숭이를 모델로 뇌를 연구하는 실험실입니다. 마모셋 원숭이로 한정한다면 국내에서 유일하지요. 그만큼 다른 곳에서는 할 수 없는 경험을 해볼 수 있는 환경입니다. 큰 주제인 ‘사회적 시각 정보의 처리가 어떻게 이루어지는가’를 기반에 두고 다양한 층위에서 접근하고 있는데 본인과 타인에게 관심이 많고 자유로운 생각을 가진 학생들이 많이 연락해주었으면 좋겠습니다. 즐겁고 행복하게 같이 연구 해봅시다! 대학원생과 인턴 모두 모집 중입니다. 

 

 

 

 

 

1. Parallel functional subnetworks embedded in the macaque face patch system (2022)

Rhesus macaque 원숭이의 뇌에 있는, 얼굴 인식을 담당하는 신경세포가 다른 원숭이들이 나오는 비디오에 어떻게 반응하는지에 대한 연구입니다. 수동적으로 이미지를 볼 때와 달리, 역동적이고 능동적인 시각 경험 중에는 한 영역에 있는 세포일지라도 각각 다른 정보 처리를 담당하며, 이러한 정보 처리는 뇌의 다른 영역과의 유기적인 신경망을 통해 병렬적으로 일어남을 밝혔습니다.

 

2. Studying the visual brain in its natural rhythm (2020)

시각 시스템을 보다 자연스러운, 일상생활에 가까운 상황에서 연구하는 것이 왜 중요한지에 대한 리뷰 및 오피니언 논문입니다. 기존 시각 시스템 연구들이 사용해 온 실험 패러다임의 역사와 한계에 대해 논의하고, 2017년　Neuron에 게재된 제 논문을 주 사례로 하여 다른 논문들을 함께 논평했습니다. 유일하고 주도적인 패러다임으로 자리잡은 정형화된 시각 실험 방식이 결국 우리가 시각 시스템에 대해 생각하는 방식을 고착화시켰다는 점을 제시한 최초의 논문입니다.

 

3. Functional subpopulations of neurons in a macaque face patch revealed by single-unit fMRI mapping (2017)

원숭이가 자유롭게 비디오를 보는 동안 뇌의 활동을 단일세포에서부터 뇌 전체의 신경망에 이르기까지 여러 수준에서 측정한 최초의 연구로서 혁신적 시도. 정형화된 시각 실험 패러다임을 넘어 일상 생활과 비슷한 시각 경험을 유도할 수 있는 새로운 패러다임을 도입한 연구입니다.. 단일 신경세포와 뇌 전체 신경망을 연결하는 새로운 방법론을 제시했습니다.

 

 

- 인터뷰어: 이현민, 정지우, 최병혁 대학원생