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저분자화합물 항암면역치료제의 면역관용
극복기술 개발

최소한의 독성으로 종양미세환경의 면역억제환경을 면역활성환경으로 전환시킴으로써, 항암면역치료제의 효능을 향상시킬 수 있는 톨-유사 수용체 7/8 작용제 개발

성균나노과학기술원 임용택 교수 · 신홍식, 유연정 연구원

성균나노과학기술원 임용택 교수 ·신홍식, 유연정 연구원

저분자화합물 항암면역치료제의 면역관용극복기술 개발

성균나노과학기술원(SAINT) 임용택 교수 연구팀(제1저자 신홍식 박사과정생)이 최소한의 독성으로 종양미세환경의 면역억제환경을 면역활성환경으로 전환시킴으로써, 항암면역치료제의 효능을 향상시킬 수 있는 톨-유사 수용체 7/8 작용제(toll-like receptor agonist)를 개발하였다. 특히, 면역관용 (immune tolerance)과 전신독성 (systemic toxicity) 문제를 분자설계 및 약물전달체를 이용하여, 그 작용기전을 미시적 (molecular scale)/거시적 (macroscale) 수준에서 조율함으로써, 기존의 톨-유사 수용체 7/8 작용제의 한계를 뛰어넘었다. 또한, 이 연구팀에서는 클릭화학을 통해 대식세포 표면에 톨 유사 수용체7/8 아고니스트를 포함하는 리포솜을 부착시켜 (Liposome anchored macrophage, LAMΦ-m7/8a), 기존 대식세포치료제의 한계를 극복하였다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 ‘Advanced Material’지 (IF : 32.086)와 ‘Small’지 (IF : 15.153)에 각각 2023년 10월 30일, 11월 15일에 온라인 게재 되었다. 톨-유사 수용체 7/8 작용제는 선천적 면역 활성뿐 만 아니라 종양미세환경의 면역억제환경을 조율할 수 있는 능력으로 주목받아 왔지만, 특유의 전신 독성과 면역관용 현상으로 실제 임상 적용에 큰 어려움을 겪고 있다. 임용택 교수 연구팀은 이런 한계점을 극복하기 위하여 약물작용기전의 미시적, 거시적 조율을 통하여 전신독성과 면역관용 현상을 모두 극복할 수 있는 신개념 아주번트 소재인 Nanoliposome(pro-TLR7/8a) (NL(pro-TLR7/8a))을 개발하였다. NL(pro-TLR7/8a)는 미시적으로 톨-유사 수용체 7/8 작용제 분자의 작용점을 콜레스테롤 분자로 masking 하여 비 특이적으로 작용하는 독성문제를 최소화하면서도 특정 환경에서 masking 된 콜레스테롤이 서서히 떨어지면서 톨-유사 수용체 7/8 작용제의 활성도가 서서히 회복되어 과도한 면역반응에 의한 면역관용 반응을 극복할 수 있는 약물 전달체이다. NL(pro-TLR7/8a)은 종양미세환경의 면역억제환경을 면역활성환경으로 전환시켜 면역활성 사이토카인 (인터루킨12, 인터페론 감마 등)의 지속적인 분비를 증진시키고, 전신 독성의 지표인 혈액 내의 면역 활성 사이토카인 (인터루킨6)의 분비를 최소화하였다. NL(pro-TLR7/8a)은 여러 종양 모델 (피부암, 폐암, 유방암)에서 뛰어난 치료효과를 보였으며, 면역관문 억제제인 anti-PD-1 과 anti-CTLA-4와의 병용 치료에서 종양의 완전 관해를 보여주었다. 임상에 적용되고 있는 항암제인 독소루비신(Doxorubicin)과의 병용 요법에서도 뛰어난 치료효과를 보여주고 있어 높은 임상적용 가능성 또한 보여주었다. 논문명: Molecular Masking of Synthetic Immunomodulator Evokes Antitumor Immunity with Reduced Immune Tolerance and Systemic Toxicity by Temporal Recovery of Activity and Sustained Stimulation (Advanced Material (IF=32.086), Oct 30, 2023) 저자: 신홍식 (제1저자, 석박통합과정), 김소현 (공동 제1저자, 박사), 진승모 (공저자, 박사과정), 유연정 (공저자, 박사과정), 허장훈 (공저자, 석박통합과정), 임용택 (교신저자, 성균관대 교수) 논문명: Nanoengineered Macrophages Armed with TLR7/8 Agonist Enhance Remodeling of Immunosuppressive Tumor Microenvironment (Small (IF : 15.153), Nov 15, 2023) 저자: 유연정 (제1저자, 박사과정), 김수현 (공저자, 석사과정), 박세현 (공저자, 박사과정), 허장훈 (공저자, 석사과정), 임용택 (교신저자, 성균관대 교수)
- No. 247
- 2023-12-06
- 1377
의학과 임세진 교수 ·이솔휘, 이건희 연구원

GvHD를 유지시키는 신규 TCF1 발현 CD8 T세포 발견

의과대학 면역학교실 임세진 교수 연구팀은 이종 조혈모세포 이식을 통한 급성 GvHD 유도 모델에서 T세포 반응을 유지하는데 핵심인 TCF1 발현 CD8 T세포군을 발표하였다. GvHD(graft-versus-host disease, 이식편대 숙주질환)는 혈액줄기세포 이식 환자에게 발생하는 심각한 합병증 중 하나로, 공여자의 면역세포, 특히 T세포가 수여자의 조직을 외부 항원으로 인식하여 활성화되고 공격함으로써 발생한다. 이번 연구에서는 공여자의 면역세포 입장에서 수여자 항원의 계속적인 자극이 있다는 점에 착안하여, 만성 바이러스 감염, 종양 미세환경과 T세포 분화가 비슷할 것이라 가설을 세우고 비교 실험을 수행하였다. 동종 (allogeneic) 이식을 통한 급성 GvHD 모델을 이용하여 연구한 결과, 공여자 유래 활성화된 T세포는 전사조절인자 TCF1을 발현하는 전구세포군과 Tim-3를 발현하는 효과세포군으로 구성되어 있음을 밝혔다. TCF1 발현 CD8 T세포는 세포융해능력은 없지만 항원 자극 후 독점적으로 증식할 수 있는 능력을 보유하고 있으며, 증식과 함께 세포융해능력을 가지고 있는 Tim-3 발현 효과 T세포로 분화함에 따라 GvHD 증상을 유지하는데 주요 역할을 함을 확인하였다. 또한 TCF1 발현 CD8 T세포군은 주로 비장에 존재하며 거주형 특성을 나타내었다. 더 나아가 이종 (xenogeneic) 이식을 통한 급성 GvHD 모델을 이용하여 동일한 CD8 T세포 분화 이형성을 확인함으로써, 사람의 T세포도 동일한 방식으로 분화가 이루어짐을 증명하였다. 임세진 교수는 “이러한 동종 활성화 T세포의 이형성에 대한 발견은 급성 GvHD의 면역치료 전략 개발에 중요한 시사점을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.”고 설명하였다. 이 연구결과는 한국연구재단 우수신진연구사업, 바이오의료기술개발사업 및 국립암센터 공익적암연구사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘Nature Communications(IF: 17.694)’에 9월 22일에 게재되었다. ※논문명: Defining a TCF1-expressing progenitor allogeneic CD8+ T cell subset in acute graft-versus-host disease (Nature Communications) ※저자명: 임세진 (교신저자), 이솔휘, 이건희 (공동 제1저자) [그림] 급성 GvHD 모델에서 TCF1 발현 전구세포의 생체 내 증식 및 분화능력 (출처: Lee S and Lee K et al. (2023) Nat Comm)
- No. 246
- 2023-11-28
- 1644
소비자학과 박태영 교수 ·이유림 박사 연구팀

혁신 모빌리티 기술의 소비자 수용성 규명

소비자학과 박태영 교수, 이유림 박사 연구팀은 UN ESCAP(이창주 박사), 한국교통연구원(배범준 박사), 한국건설기술연구원(정인택 · 장봉주 박사)와의 공동 연구를 통해 혁신 모빌리티 기술인 도심항공모빌리티(UAM, urban air mobility), 수요응답형 교통 서비스(DRT, demand-responsive transport)의 소비자 수용성에 대한 연구 결과를 발표하였다. 혁신 모빌리티 기술의 상용화 계획은 교통수단으로서의 효율성은 물론 통행자의 수용성을 반영해 설계되어야 한다. 새로운 교통 시스템이 상용화되기 위해서는 통행자가 더욱 빠르고 편리하게 이동할 수 있다는 전제가 필요하며, 관련 법과 제도가 정비되어 교통 체계가 안전하게 운영될 수 있다는 믿음이 필요하다. 즉, 신기술에 대한 유용성, 편의성 및 신뢰성이 입증되어야 하며 이를 뒷받침하기 위한 정책적인 지원과 단계별 도입계획이 수립되어야 한다. 본 연구팀은 국내에서 수년 내 상용화될 것으로 예상되는 UAM, DRT 기술에 대한 국내 광역시도 거주자의 수용의도에 대해 분석하였다. 두 연구 모두에서, 새로운 교통 체계에 대한 초기 신뢰가 통행자의 수용의도를 결정하는 가장 중요한 매개변수로 나타났으며, 기술 수용에 대한 타인의 기대, 해당 기술이 통행 효율성을 높일 것이라는 믿음, 교통 체계의 안전성에 대한 보증 등이 수용의도와 밀접한 연관성이 있는 것으로 나타났다. 또한 국내 통행자들은 기술 자체의 신뢰성 보다는 안전을 담보할 수 있는 프로토콜과 법체계가 갖추어져 있는지, 문제가 발생했을 때 적절한 처리 절차가 갖추어져 있는지 등 신뢰성을 담보하기 위한 제반 시스템의 구축을 중요하게 여기는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 신교통수단의 초기 도입 시 기술 도입과 법제도의 정비가 함께 추진되어야 함을 시사하며, 이를 위한 정책 개입의 중요성을 보여준다. 마지막으로, 환경에 대한 인식은 혁신 모빌리티 기술의 수용의도에 영향이 없는 것으로 나타나 통행 효율화를 통한 환경보호 효과에 대한 인식 향상이 필요한 것으로 나타났다. 이번 연구 결과는 기술경영, 교통공학 부문의 최상위 학술지인 Technological Forecasting and Social Change (IF 12.0, JCR 상위 3.2%), Journal of Public Transportation (IF 37.7, JCR 상위 1.4%)에 게재되었다. 본 연구는 한국연구재단 신진연구자지원사업, 한국건설기술연구원-UN ESCAP 국제매칭공동연구의 지원으로 수행되었다. 논문명: Societal acceptance of urban air mobility based on the technology adoption framework 저널: Technological Forecasting and Social Change DOI: https://doi.org/10.1016/j.techfore.2023.122807 논문명: Modeling public acceptance of demand-responsive transportation: An integrated UTAUT and ITM framework 저널: Journal of Public Transportation DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpubtr.2023.100067 그림1. UAM 운영 개념도 (출처: 한국공항공사) 그림2. Tilt prop 타입 UAM 컨셉 (출처: 한국공항공사) 그림3. 수요응답형 버스 아이모드(I-MOD) (출처: 인천광역시, 현대자동차 수요응답형 버스 I-MOD)
- No. 245
- 2023-11-21
- 3564
글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수 ·손동희 교수(전자전기컴퓨터공학과)

'조직 재생 필러’로 빠른 로봇 재활 가능성 열었다

근육이나 신경 손상 초기에 빠른 재생을 돕는 새로운 조직 보형물 소재가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단(단장 김성기) 신미경 교수(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 부교수)와 손동희 교수(성균관대 전자전기컴퓨터공학과 부교수) 연구팀은 손상된 조직의 기능을 대체하는 주사 주입형 바이오 신소재를 개발했다. 더 나아가 이 소재를 기반으로 근육과 신경이 심하게 손상되어 걷지 못하던 동물모델에 적용해 빠른 조직 재생 및 재활 효과를 확인했다. 심각한 근육 손상 초기에 적절한 치료를 받지 못하면 만성적으로 근육이 기능적으로 결손되고, 이로 인한 장애가 유발될 수 있다. 근력 감소로 인한 환자 삶의 질 저하를 막으려면 근육의 정상적 회복을 촉진하는 동시에 움직임의 즉각적 회복을 돕는 재활 치료가 필요하다. 손상된 신경‧근육 회복에 있어 보행 보조 로봇 등 웨어러블 장치와 체내 이식형 소자가 통합된 ‘폐회로 보행 재활 기술’이 각광 받는다. 하지만 체외 장치와 체내 조직을 연결하기 위한 소자들의 크기가 커서 복잡하고 작은 손상된 조직 영역에 이식하기 어려웠다. 또한, 딱딱한 소자가 부드러운 조직에 지속적인 마찰을 일으켜 염증이 유발된다는 것도 문제였다. 즉, 기존 기술로는 단시간에 환자의 보행 재활을 기대하기는 어려웠다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구진은 생체조직처럼 부드러우면서도 조직에 잘 접착되고, 전기 저항이 작아 근육과 신경의 전기 신호를 잘 전달할 수 있는 새로운 소재 개발에 착수했다. 우선 연구진은 피부 미용용 필러로 쓰이는 히알루로산 소재를 기반으로 조직처럼 부드러운 하이드로젤 소재를 만들었다. 여기에 금 나노입자를 투입해 전기 저항을 낮췄다. 또한, 기계적 안정성을 높이기 위해 분자들이 자유롭게 재배열하게 제조하여 필러처럼 주사로 국소적 손상 부위에 주입할 수 있도록 했다. 연구진은 손상된 근육과 신경에 제작한 보형물을 주사로 주입했을 때, 좁고 거친 손상 조직 표면에 보형물이 밀착 접촉됨을 확인했다. 나아가 보형물은 조직 손상 부위를 채워 건강한 조직에서 발생하는 전기생리학적 신호를 성공적으로 전달했다. 보형물 자체를 전극으로 사용하여 조직에 전기 자극을 가하거나, 조직으로부터 발생하는 신호를 계측할 수 있음을 확인한 것이다. 이어 연구진은 동물실험을 통해 빠른 근육 재생 및 재활 효과도 확인했다. 경골전방근육이 심하게 손상된 설치류 모델의 조직 손상 부위에 제작한 보형물을 주사하고, 말초신경에 전기 자극을 가할 수 있도록 인터페이싱 소자를 이식했다. 우선, 전도성 하이드로젤을 조직 손상 부위에 채우는 것만으로도 조직 재생이 개선됐다. 신경 전기 자극을 주었을 때 발생하는 근전도 신호를 계측하여 보행 보조 로봇을 작동, 소동물의 보행을 성공적으로 보조할 수 있었다. 더 나아가, 신경 자극을 따로 주지 않아도 전도성 하이드로젤의 조직 간 신호 전달 효과를 이용하면 로봇 보조를 통한 소동물의 보행 재활 훈련이 가능하다는 점도 확인했다. 조직이 손상되어 잘 걷지 못하던 실험 쥐는 단 3일 만에 로봇 보조를 통한 정상적 보행이 가능하게 되었다. 신미경 교수는 “신경근 회복을 위해 재활 훈련이 요구되는 심각한 근육 손상에 손쉽게 적용할 수 있는 주사 가능한 전기 전도성 연조직 보형물을 구현했다”며 “근육과 말초신경 뿐만 아니라 뇌, 심장 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 조직 재생용 신물질로 활용 가능할 것”이라고 말했다. 손동희 교수는 “우리 연구진이 제시한 새로운 바이오 전자소자 플랫폼은 재활 치료가 어려운 신경근계 환자들의 재활 여건을 크게 개선할 수 있을 것”이라며 “전기생리학적 신호 계측 및 자극 성능을 활용하면 향후 인체 내 다양한 장기의 정밀 진단 및 치료까지 확대될 수 있다”고 말했다. 연구진은 다양한 손상 조직에 전도성 하이드로젤을 주사하여 회복 가능성을 확인하는 한편, 임상 수준에서 최소침습적인 재활 시술로 이어지기 위한 후속 연구를 진행 중이다. 연구 결과는 11월 2일 01시(한국시간) 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처(Nature, IF 64.8)’ 온라인판에 실렸다. [그림1] 기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단이 제시한 주사 주입형 조직 보철용 전도성 하이드로젤 소재를 통한 보행 재활 훈련
- No. 244
- 2023-11-07
- 5174
의학과 임세진 교수

종양 미세환경 내 CD8 T세포 분화 및 해부학적 위치 규명

의과대학 면역학교실 임세진 교수 연구팀은 미국 조지아주 에모리 대학교 Rafi Ahmed 연구팀, Suresh S. Ramalingam 연구팀과의 공동연구를 통해 종양 미세환경 내에 독점적 증식 능력을 가지는 TCF1 발현 CD8 T세포군이 존재함을 밝히고, 이들은 주로 3차 림프구 구조(tertiary lymphoid structures)에 머무르고 있음을 발표하였다. CD8 T세포는 종양 미세환경 내에서 항종양 면역을 담당하는 주요 세포이다. 이번 연구에서는 여러 마우스 종양 모델과 인간 폐암 샘플을 이용하여 연구한 결과, 종양 특이적인 CD8 T세포는 전사조절인자 TCF1을 발현하는 전구세포군과 Tim-3를 발현하는 효과세포군으로 구성되어 있음을 밝혔다. TCF1 발현 CD8 T세포는 세포융해능력은 없지만 항원 자극 후 독점적으로 증식할 수 있는 능력을 보유하고 있으며, 증식과 함께 세포융해능력을 가지고 있는 Tim-3 발현 효과 T세포로 분화함에 따라 지속적으로 종양 특이적인 CD8 T세포 반응을 유지함을 확인하였다. 더 나아가 인간 폐암 샘플을 이용하여 CD8 T세포군의 종양 미세환경 내 위치를 분석한 결과, Tim-3 발현 효과 T세포는 종양 내로 침윤하여 종양 세포와 상호작용을 하는 반면, TCF1 발현 전구 T세포는 주로 3차 림프구 구조에 위치함에 따라 종양 세포와는 멀리 떨어져 존재함을 밝혔다. 또한 마우스 종양 모델과 인간 폐암 환자의 CD8 T세포의 증식을 비교한 결과, 인간 폐암 환자의 CD8 T세포는 대부분이 휴지기 상태이고, 일부의 Tim-3 발현 효과 T세포만이 증식하는 것과 달리, 마우스 종양 모델에서의 CD8 T세포는 대부분 활발히 증식하고 있으며, 이러한 차이는 모델간의 종양 발생 이후 기간의 차이에 기인함을 밝혔다. 성균관대 임세진 교수는 “PD-1 면역관문 억제제의 치료반응성을 유도하는 TCF1 발현 CD8 T세포가 주로 3차 림프구 구조에 위치하는 것은 이 위치에 해당 세포군을 유지하는데 중요한 기전이 있을 것으로 예상하며, 추가적인 연구가 기대된다. 또한 본 연구를 통하여 마우스 종양 모델과 암 환자에서 얻은 결과 간의 차이점을 보다 잘 이해할 수 있을 것으로 생각된다.”고 설명하였다. 이 연구결과는 한국연구재단 우수신진연구사업 및 국립암센터 공익적암연구사업의 지원으로 수행되었으며, 미국 국립과학원회보(PNAS, IF: 12.779)에 10월 10일 발표하였다. ※논문명: Characteristics and anatomic location of PD-1+TCF1+ stem-like CD8 T cells in chronic viral infection and cancer ※저자명: 임세진 (교신저자) [그림] 비소세포폐암 환자의 종양 조직 내 TCF1 발현 전구세포군의 위치 (출처: Im and Obeng et al. (2023) PNAS)
- No. 243
- 2023-10-27
- 3705
성균나노과학기술원 안성필 교수 ·최대규 박사, 조홍석 박사

초고감도 유연 투명 압전 나노발전기 개발

성균나노과학기술원(SAINT) 안성필 교수 연구팀은 산업용 배관 및 파이프 내부의 공동현상(cavitation)으로 생성된 미세기포(microbubble)를 감지할 수 있으며, 동시에 이러한 미세기포가 지닌 운동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 고감도 유연 투명 압전 나노발전기를 개발했다고 밝혔다. 유비쿼터스(ubiquitous)한 에너지원을 활용할 수 있는 압전 나노발전기는 화석연료의 고갈 및 환경오염 등의 이슈들에 대응할 수 있는 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 본 연구에서는 전기방사(electrospinning), 전기도금(electroplating), 정전기 스프레이(electrostatic spraying) 및 화학 용액 증착법 (chemical bath deposition) 기술들을 활용하여, 얇고 투명하며 유연성을 지닌 초고감도 압전 나노발전기를 개발하였다. 특히, 미세기포의 물리적인 움직임에 기인한 미세 부력을 감지하고, 이를 전기에너지로 변환할 수 있어, 복잡하고 다양한 크기의 배관 설비를 필요로하는 플랜트 산업 전반에 센싱 및 에너지 하베스팅 소자로서 활용될 수 있을 것이라 연구팀은 기대하고 있다. ※ 공동현상: 빠른 속도로 액체가 운동할 때 액체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 증기 기포가 발생하는 현상 ※ 미세기포: 대략 100 ㎛ 미만의 직경을 갖는 매우 작은 크기의 기포 ※ 압전 나노발전기: 나노구조를 지닌 압전 재료를 이용하여 운동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 에너지 수확 기술 ※ 전기방사 : 전기장을 이용하여 고분자 용액을 직경 수백 나노미터 수준의 나노섬유로 생산하는 기술 ※ 정전기 스프레이: 전기장을 이용해 액체를 미립화하는 기술 ※ 화학 용액 증착법: 수용액 상태의 전구체를 이용하여 재료를 박막에 증착하는 기술 성균나노과학기술원(SAINT) 안성필 교수 연구팀(1저자 최대규 박사과정, 공동 1저자 조홍석 박사)은 전기전도성이 우수한 니켈 마이크로 섬유의 전극 표면에 압전성질의 산화아연 나노와이어를 균일하게 성장시켜, 유연 투명 고감도 압전 나노발전기를 개발하였다고 밝혔다. 본 압전 나노발전기는 10 N의 외력이 가해졌을 때, 35 V의 발전 성능을 보였으며, 특히 미세기포의 움직임에 의한 0.009 N의 초미세 부력에서도 0.04 V의 발전 성능을 나타내었다. 더불어, 약 100,000회 이상의 반복적인 외력이 가해지는 조건에서도 안정적인 발전 성능을 보여, 우수한 기계적 내구성을 입증하였다. 안성필 교수는 “최근에는 다학제 과학기술이 접목된 연구개발이 활발하게 이루어지고 있는 만큼, 다양한 분야 연구자들 간의 활발한 연구지식교류를 통해 앞으로도 혁신적인 연구가 끊임없이 이어지는 것이 중요하다.”라고 말했다. 이번 연구의 1저자 최대규 박사과정 학생은 “일상생활에서 낭비되고 있는 운동에너지를 전기에너지로 수확하는 에너지 하베스팅 연구는 다가올 미래의 패러다임을 변화시키기에 충분한 잠재력을 지니고 있는 연구라고 생각한다.”라고 뜻을 밝혔고, 공동 1저자 조홍석 박사는 “본 연구에서 개발된 초고감도 미세기포 감지 센서 및 압전 나노발전기는 초소형 전자기기의 센서 혹은 발전 용도로 활용될 가능성이 크다고 생각되기 때문에 이에 따른 후속 상업화 연구가 기대된다.”라고 말했다. 참고로 이번 SCI 논문의 주저자인 최대규 학생은 박사과정 초년생이고 공동 1저자 조홍석 박사는 ‘한국연구재단 창의도전연구 과제’에 이번에 선정되어 앞으로 이들의 연구자로서의 많은 활약이 기대된다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 우수신진연구사업(RS-2023-00211303), 중견연구사업(2021R1A2C2007141) 및 나노커넥트사업(2022M3H4A408507611)의 지원을 받아 수행되었다. 본 연구는 재료 분야 상위 5% 이내의 세계적인 학술지인 Advanced Functional Materials (IF: 19)에 8월 30일 온라인 게재되었다. ※ 논문명: Transparent, Flexible, and Highly Sensitive Piezocomposite Capable of Harvesting and Monitoring Kinetic Movements of Microbubbles in Liquid (저널: Advanced Functional Materials, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202307607) [ 초고감도 고투명 압전 나노발전기의 제조공정 및 미세기포 감지 실험과 플랜트 산업응용 계략도 ]
- No. 242
- 2023-10-20
- 4781
의학과 이기영 교수 ·김미정 연구원

폐암환자들에서 코로나19 바이러스 감염이 폐암 진행에 미치는 메커니즘 제시

폐암 발병 및 진행은 유전적 변이 및 외부 다양한 인자들에 의해 유도된다. 최근 코로나바이러스 2 (SARS-CoV-2)은 세계적으로 코로나바이러스 대유행을 야기하였으며, 이에 따라 기저질환이 있는 환자들에 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 심각한 결과를 야기할 수 있음이 보고되고 있다. 하지만, 이들에 관한 과학적 원인 규명은 아직 미흡하다. 특히 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 호흡기를 통한 감염이 주를 이루고 있기 때문에 폐암환자들에 있어서 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 심각한 암질환 악화를 유도할 수 있음이 임상적으로 제기되고 있다. 본 연구팀은 폐암 환자 유래의 암 조직 및 정상 조직에서 얻은 유전자 데이터를 활용하여 폐암 환자들에 있어서 SARS-CoV-2 바이러스 감염이 폐암 발달에 미치는 분자-세포 기능을 규명하였다. 본 연구 결과, SARS-CoV-2 바이러스가 폐암세포에서 발현하는 톨라이트 수용체 2 (Toll-Like Receptor 2)를 통하여 염증 및 암발달을 조절할 수 있음을 처음으로 제시하게 되었다. (그림1) SARS-CoV-2 바이러스는 세포에서 발현하는 바이러스 수용체인 Angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) 및 Transmembrane protease serine subtype 2 (TMPRSS2)에 의해 감염됨이 보고 되었다. 또한 선천 면역 반응 (Innate Immune Response)을 조절하는 선천 면역 수용체 (Innate Immune Receptor)인 톨라이크 수용체들과 결합할 수 있음이 보고 되었다. 폐암에 있어서 톨라이크 수용체들은 암발달 (Cancer Progression)을 조절하는 중요한 인자로 제시되고 있으며, 이는 폐암-SARS-CoV-2 바이러스-톨라이크 수용체 간 연관성을 추정할 수 있었다. 이에 관한 과학적 연관성을 검증하고자 폐암 환자 유전자 데이터를 활용하여 SARS-CoV-2 바이러스 수용체와 톨라이트 수용체의 발현에 따른 암발달 조절 유전자를 분석하였으며, 이들에 관한 기능적 규명을 위하여 유전자 교정 기법 (CRISPR/Cas9 gene editing method)을 활용하였으며, 그 결과 폐암세포에서 SARS-CoV-2 바이러스 감염은 톨라이트 수용체 2를 통하여 암세포 발달을 조절될 수 있음을 제시하게 되었다. 본 연구는 제1저자로 김미정 박사 (성균관대학교 의과대학 BK21 FOUR 신진연구자)/ 김지영 (성균관대학교 의과대학 석박통합과정)/ 신지혜 (성균관대학교 의과대학 석박통합과정) 학생이 연구에 기여하였다. 연구결과는 암 중개 의학 분야 저명 국제 학술지인 Cancer Communication 2023 Sep 13 (IF: 16.2)에 게재되었다. 본 연구는 중견연구자지원 사업 및 기초 연구실 사업을 통하여 수행되었다. 논문명: The SARS-CoV-2 spike protein induces lung cancer migration and invasion in a TLR2-dependent manner. Cancer Commun (Lond). 2023 Sep 13. doi: 10.1002/cac2.12485) 저자: 김미정 (제1저자, 성균관대학교 의과대학 BK21 FOUR 신진연구자), 김지영 (석박통합과정), 신지혜 (석박통합과정), 이기영 (교신저자, 성균관대학교 의과대학 교수). 그림 1: SARS-CoV-2 바이러스가 폐암세포에서 발현하는 톨라이트 수용체 2 (Toll-Like Receptor 2)를 통하여 암발달 조절 기능
- No. 241
- 2023-10-12
- 5129
사회학과 이해나 교수

폭염이 노년기 인지기능에 미치는 부정적 영향 규명

성균관대의 이해나 교수와 미국 뉴욕대(New York University) 세계공중보건대학원 연구팀(최은영 박사·버지니아 장 교수)이 폭염의 노출이 늘어날수록 빈곤층 노인과 같은 사회 취약계층의 인지능력이 부유층보다 더 빠르게 저하된다는 연구 결과를 발표했다. 이해나 교수 연구팀은 영국의학저널(British Medical Journal)의 공공보건 국제 학술지인 Journal of Epidemiology and Community Health(IF: 6.3; 공공보건 분야 상위 8%)에 이와 같은 결과를 발표했다. 미국에서는 날씨로 인한 주요 사망 원인으로 폭염이 꼽히며, 허리케인·토네이도·번개를 합친 것보다 폭염으로 인한 사망자가 많다. 특히 노인은 노화로 인한 신체변화로 인해 온열 질환에 약하다. 그간 연구에서 폭염에 노출되는 빈도가 증가될수록 노인의 신체 건강에 부정적인 영향을 미친다고 밝혀 왔지만, 무더위가 인지 기능에 미치는 장기적 영향은 알려진 게 적다. 이 문제를 근본적으로 해결하기 위해, 이해나 교수 연구팀은 미시간대 사회연구소(University of Michigan ISR)가 2006~2018년 52세 이상 미국 성인 9500여명을 대상으로 실시한 Health and Retirement Study 데이터와, 같은 기간 발생한 폭염 빅데이터를 통합해 분석했다. 미국 질병통제예방센터(CDC)의 전국 환경 공중보건 추적 네트워크의 데이터를 통해 참가자들의 누적 폭염 노출량을 계산하고 같은 기간 이들의 인지 기능 변화와 거주지역의 사회경제적 지표도 파악했다. 분석 결과, 폭염에 노출되는 빈도가 높을수록 가난한 지역 거주자의 인지 능력이 부유한 지역 거주자들보다 더 빨리 저하되는 것으로 나타났다. 또한 폭염 노출로 인한 인지 기능 저하는 흑인 노인층이 백인이나 히스패닉 노인층보다 더 큰 것으로 조사됐다. 이러한 현상은 주로 부유한 지역과 가난한 지역 간에 무더위를 완화할 수 있는 복지시설과 건축 환경이 다르기 때문으로 나타날 수 있다. 부유한 지역에서는 잘 관리된 녹지 공간, 에어컨, 그리고 햇빛으로부터 피할 수 있는 무더위 쉼터와 같은 시설이 잘 갖쳐줘 있지만, 반면 가난한 지역에서는 이러한 시설이 부족한 경우가 많기 때문이다. 본 연구는 점점 더 올라가는 기온에 대비해 고위험 지역 사회를 찾아내 정책적으로 지원하는 제도가 필요함을 제시한다. 폭염 취약계층에 대한 심층적 분석을 실시함으로써, 폭염과 노인건강 연구의 다각화를 도출했다는 데에 의의가 있다. 환경 빅데이터와 미국 전국 노인 패널조사를 병합함으로써 특정 병원이나 지역에 한정된 이전 연구들의 한계를 극복하고, 노년사회학에 새로운 융합적 시각을 제시하였다. 논문명: Cumulative exposure to extreme heat and trajectories of cognitive decline among older adults in the USA •저널: Journal of Epidemiology and Community Health •저자명: 이해나(공동 1저자), Eunyoung Choi(공동 1저자), Virginia Chang(공동저자) •DOI: http://dx.doi.org/10.1136/jech-2023-220675
- No. 240
- 2023-09-26
- 5760
생명물리학과 김인기 교수 ·김양규, Aleksandr Barulin 연구원

메타표면 칩 기반 세포 모니터링 기술 개발

생명물리학과 김인기 교수 연구팀(공동저자: 김양규, Aleksandr Barulin 박사)은 하버드 의대 루크 리 교수, 포항공대 노준석 교수 및 서울시립대 최인희 교수팀과 공동 연구를 통해 메타표면 칩을 통해 실시간으로 세포를 모니터링 할 수 있는 초분광 이미징 기술을 개발했다. 초분광 이미징(Hyperspectral imaging) 기술이란 현미경을 통해 사물의 모양과 사물의 분광 신호를 동시에 관찰하는 기술이다. 이를 통해 사물을 관찰하게 되면 사물의 위치 정보와 화학물질에 대한 시공간적 정보를 동시에 얻을 수 있다. 세포 안에서 일어나는 다양한 생명현상과 직간접적으로 관련된 화학물질을 세포 안 또는 밖에서 실시간으로 탐지하고 모니터링하는 기술은 각종 질병의 조기 진단 및 치료제 개발을 가능하게 하는 핵심 기술로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 플라즈몬 공명 에너지 전달 현상(Plasmonic resonance energy transfer, PRET)을 통해 표적화학물질의 분자 지문을 비표지 방식으로 검출할 수 있는 기술을 개발했다. PRET 기반의 센서 기술은 빛 에너지를 산란시키는 물체와 그 에너지를 흡수하는 물체 사이의 에너지 전달 현상을 통해, 빛을 흡수하는 물체의 화학 정보를 알아낼 수 있다. 하지만 기존의 나노입자 탐침 기반의 PRET 센서는 나노입자의 제한된 산란 특성으로 인해 한 번에 하나의 분자만 측정할 수 있고, 세포와 세포 사이에서 일어나는 물질 전달을 실시간으로 모니터링하기 어려운 단점이 존재했다. 또한 세포의 시공간적 변화를 정확하게 실시간으로 모니터링을 하기 위해서는 좀 더 정밀한 칩 형태의 디바이스 구현이 요구된다. 연구진은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학 소자인 메타표면을 활용해 초분광 이미징 및 멀티플렉싱 센서 기술을 개발했다. 메타표면은 빛 파장보다 작은 패턴을 이용해 만든 2차원 박막 구조를 뜻한다. 메타표면 칩은 빛의 산란 특성을 자유자재로 조절할 수 있고, 이를 이용해 가시광선 영역에서 원하는 파장의 빛만을 산란시키는 광소자를 구현하였다. 연구팀은 동물 및 식물세포의 신진대사에 중요한 역할을 하는 시토크롬(Cytochrome) 및 클로로필(Chlorophyll)과 같은 서로 다른 종류의 분자들을 메타표면 칩을 통해 한 번에 검출할 수 있음을 확인했다. 시토크롬은 전자전달계에 관여하는 단백질로 세포의 건강 상태를 판별할 인자로 사용되고, 클로로필의 경우에는 식물세포에서 광합성에 관여하는 빛 에너지를 흡수하는 안테나 역할을 한다. 더 나아가 연구팀은 이 메타표면 칩을 통해 살아있는 세포에서 분비되는 활성산소를 실시간으로 검출할 수 있는 기술 또한 선보였다. 메타표면 칩 위에 정상세포, 암세포 및 약물처리가 된 암세포를 키우고, 각 세포에서 나오는 활성산소를 비표지 방식으로 모니터링 할 수 있는 기술을 개발하였다. 1시간 동안 세포의 동일한 위치에서 나오는 활성산소의 양을 모니터링하며, 약물처리된 암세포-일반 암세포-정상세포 순으로 활성산소가 많이 분비되는 것을 관찰할 수 있었다. 이 기술은 향후 약물 스크리닝 플랫폼으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구를 통해 구현된 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술은 세포 내의 다양한 화학물질을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 세포 간 커뮤니케이션에 사용되는 세포 분비물을 실시간으로 모니터링 할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 국제학술지인 Advanced Materials(IF = 32.086)에 8월 10일 정식 출판되었고, 연구의 우수성을 입증받아 해당 호 표지논문으로 선정되었다. 본 연구는 미래유망융합기술 파이오니어 사업, 선도연구센터, 중견연구자지원 사업 및 세종과학펠로우십 사업 등을 통하여 수행되었다. ▲ 그림1. 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술 모식도 ▲ 그림4. Advanced Materials 표지논문
- No. 239
- 2023-09-14
- 4148
생명과학과 배용수 교수 ·강명호 연구원

강력한 항암면역의 새로운 수지상세포 발견

성균관대학교(총장 유지범) 생명과학과 배용수 교수 연구팀은 종양성장을 효과적으로 억제할 수 있는 면역원성이 강화된 수지상세포가 인터류킨-33에 의해 새롭게 분화됨을 발견하고 그 분화기전을 규명했다고 밝혔다. ※논문명: Discovery of highly immunogenic spleen-resident FCGR3+CD103+ cDC1s differentiated by IL-33-primed ST2+ basophils ※저자명: 배 용 수 (교신저자), 강 명 호 (제1저자) 수지상세포는 병원체 또는 외부항원을 포획한 뒤, T 세포에 항원을 제시하여 항원 특이적 면역반응을 유도하는 강력한 항원제시세포이다. 수지상세포 중에서도 제1형 수지상세포*(이하 cDC1)가 세포독성 T 임파구의 활성을 효과적으로 유도하는 것으로 잘 알려져 있다. 이러한 특징으로 인해 수지상세포는 오랜 기간 항암 세포치료제로의 개발 가능성을 두고 연구되어 왔다. 그러나 실제 임상에서 기대만큼 항암면역 유도능이 높지 않아 지금까지도 면역원성을 높이는 것이 과제로 남아있다. * 제1형 수지상세포 : 세포독성 T 세포 활성을 높이는 수지상세포 아군 인터류킨-33은 조직손상 시 손상부위 회복을 위해 분비되는 사이토카인으로 암성장에 대해서는 오랫동안 상반된 연구결과가 보고되어 왔다. 이런 가운데 최근 IL-33 이 cDC1을 매개로 항종양면역반응을 유도한다는 연구가 발표되었다. 그러나 인터류킨-33의 자극을 받은 cDC1의 특성 및 분화기전에 대해서는 전혀 알려진 바가 없어 이를 규명한다면 면역원성이 강화된 새로운 수지상세포 암백신으로 개발이 가능할 것으로 예상하였다. 연구팀은 인터류킨-33을 직접 생쥐에 투여하여 체내에서 분화된 수지상세포와 인터류킨-33을 이용하여 실험실에서 분화시킨 수지상세포의 여러 가지 특성이 유사하며 유세포분석, 전사체 분석 등을 통해 면역원성의 증가, 세포독성 T 세포 유도능의 증가 및 항종양면역반응 촉진 효과 등이 동일함을 검증하였다. 이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 실험실 분화과정에서 인터류킨-33이 수지상세포 분화에 직접 작용하지 않고 수지상세포와 함께 존재하는 호염구 (basophil)를 자극하여 특정 분화인자들을 분비하게 하고 이 인자들이 고 시간차를 두고 면역원성 cDC1의 분화를 주도한다는 새로운 기전을 규명하였다. 또한 마우스 수지상세포 뿐 아니라 유사한 기전으로 인체 단핵구 유래 수지상세포 암백신의 면역원성도 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 성균관대 배용수 교수는 “기존 수지상세포 암백신 효능강화 연구는 분화가 완료된 세포에 다양한 면역증강제를 처리하여 면역원성을 높이는데 초점을 맞춘 반면, 본 연구에서는 혈액 줄기세포 분화단계에서 제 3의 면역세포 존재 하에 인터류킨-33을 처리하여 새로운 고 면역원성 수지상세포로의 분화를 유도한 것입니다. 마우스 뿐 아니라 인체 단핵구 유래 수지상세포 분화에서도 유사한 결과를 얻었기에 이러한 분화기술을 인체 수지상세포 암백신 제작에 활용할 수 있을 것으로 기대합니다”라고 말했다. 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 SRC 선도연구센터(비임파성장기면역연구센터, 센터장: 배용수 교수) 과제로 수행되었으며 본 연구결과는 면역학 분야 국제학술지 Cellular and Molecular Immunology (IF=24.1)에 2023년 5월 29일 On-line 본으로 게재되었다. (그림1) 인터류킨-33에 의한 고 면역원성 수지상세포의 분화 및 항암면역 인터류킨-33의 자극을 받은 호염기구가 다양한 사이토카인을 발현하고 이들이 수지상세포 전구체에 시간 차를 두고 작용하여 고 면역원성의 새로운 수지상세포 아군(CD103+FCGR3+ cDC1)의 분화를 유도함. 이 수지상세포가 세포독성 T 임파구를 대량 증폭시켜 종양을 제거함. (그림2) 인터류킨-33에 의한 면역원성 수지상세포 백신효과 분석 인터류킨-33으로 유도한 고 면역원성 수지상세포에 종양항원 처리 후 여러 종양 마우스 모델에 투약하여 종양성장 억제효과 검증. 고 면역원성 수지상세포 백신 (FL-33-DC)이 다른 수지상세포 백신 대비 더 효과적으로 종양성장을 억제함. <그림 및 설명 제공: 성균관대 비임파성 장기면역연구센터 (SRC), 센터장 배용수 >
- No. 238
- 2023-09-01
- 6963
반도체시스템공학과 전재욱 교수

오토바이 헬멧 착용 여부 검출 Deep Learning 기술 개발

오토바이 탑승 시 교통 법규를 지키는 것은 안전을 위해 매우 중요한 일이다. 오토바이 운전자 및 탑승자들이 헬멧을 착용하고 한 대당 적정 인원만이 탑승하게 하려면 인식 개선 캠페인과 함께 단속 강화가 필요할 것이다. 그러나 오토바이 헬멧 착용 여부를 일일이 교통 감시 카메라 영상을 보며 찾아내는 것은 오랜 시간과 많은 인력을 필요로 한다. 또한, 현존하는 오토바이 관련 교통 법규 위반자 자동 검출 시스템 기술은 아직 상용화할 수 없는 수준이다. 예를 들자면, 카메라 영상에 여러 오토바이가 있을 때 검출 시스템이 각 오토바이의 정확한 위치를 파악하는데 사람의 도움을 필요로 하기도 하고, 운전자와 탑승자 각각의 헬멧 착용 여부를 효과적으로 체크하지 못하는 경우가 발생하기도 한다. 그림 1. 오토바이 헬멧 착용 여부 검출 예시. 이러한 검출 시스템의 연구 개발을 촉진하기 위해 2023년 제7 회 AI City Challenge에서 ‘헬멧 착용 의무 위반자 검출 경진대회’가 열렸다. 2023년도 6월 캐나다 밴쿠버에서 열린 인공지능과 컴퓨터 비전 분야 세계 최고 학술대회인 CVPR (Computer Vision and Pattern Recognition)에서 주관한 이 경진대회에서는 각 참가 팀이 5개월 간의 기간 동안 오토바이 운전자와 탑승자 개개인의 헬멧 착용 여부를 검출할 수 있는 시스템을 개발하여 그 성능을 비교하였다. 그림 2. 제안한 헬멧 착용 여부 검출 Deep Learning. 이 경진대회에서 성균관대학교 반도체시스템공학부의 전재욱 교수팀은 전세계의 38개 팀과 경쟁하여 1위로 우승을 차지하였다. 전재욱 교수팀은 여러 대의 오토바이 운전자와 탑승자의 위치를 먼저 찾아낸 후, 각 오토바이의 운전자와 탑승자들이 헬멧을 착용했는지 여부를 검출하는 두 단계 구조의 인공지능 기술을 개발하여 최고의 검출 성능 점수를 획득하였다. 그림 3. 각 단계의 데이터 변환 과정. 이번 우승으로 전재욱 교수팀의 기술력을 세계에 알리게 되었으며, 개발된 기술은 향후 지능형 교통감시시스템에 널리 활용될 것으로 기대된다. 향후 미래의 스마트 시티에서는 교통 법규 위반 자동 검출뿐만 아니라 차선 인식, 분기로/합류로 인식, 신호등 및 표지판 인식, 자동주차, 주변 환경 인식 등이 수행되어야 한다. 이를 위해서는 지능형 영상처리 기술이 필요하며, 전재욱 교수팀은 관련 연구를 지속적으로 진행할 예정이다. 그림 4. 다양한 환경에서의 헬멧 착용 여부 검출 결과
- No. 237
- 2023-08-24
- 5767
전자전기공학부 유우종 교수

인간 뇌처럼 스스로 학습하는 인공 뇌 신경망 회로 구현

성균관대 전자전기공학부 유우종 교수와 에너지과학과 이영희 교수 공동 연구진은 현대자동차 원의연 책임연구원과의 협업을 통해 인간 뇌세포와 동등하게 동작하는 인공 뇌세포 소자를 개발하였고, 이를 이용하여 인간 뇌세포의 다중 연결 신경망 구조를 모사한 스스로 학습하는 인공 뇌 신경망 회로를 구현하였다. 현재의 인공지능 알고리즘은 대용량 슈퍼컴퓨터 수백 대를 이용해 막대한 전기에너지를 사용한다. 반면 인간의 뇌는 주먹 두 개 정도의 작은 크기에 매우 적은 에너지를 사용하여 지능을 구현한다. 만약 인간의 뇌와 같은 원리로 동작하는 인공 뇌를 만든다면 조그마한 스마트 폰에서 동작하는 인공지능이 가능할 것이다. 실제로 인간의 뇌를 모사한 ‘뉴로모픽 시스템’이 활발하게 연구되고 있고, 특히 인간의 뇌를 정밀하게 모방할 수 있는 신개념 메모리인 ‘멤리스터(Memristor)’가 주목받고 있다. * 뉴로모픽 시스템 : 인간의 뇌를 본뜬 Neuromorphic (뉴로모픽) 구조의 컴퓨터. 기존 컴퓨터는 폰노이만 구조로 수학적 계산과 같이 순차적 계산은 빠른 반면 인공지능에서 필요한 여러 가지 일의 병렬적 계산은 적합하지 않다. 알파고의 경우 폰노이만 구조의 컴퓨터에서 병렬적 계산을 할 수 있도록 소프트웨어로 구현하였다. 이를 위해 수천개의 컴퓨터를 병렬로 연결하여 사용하고, 매우 많은 전력소모가 발생한다. 반면 뇌를 본뜬 뉴로모픽의 경우 하드웨어 자체를 병렬계산에 적합하게 만들었다. 인간의 뇌세포와 같이 수만개의 작은 cpu와 메모리를 병렬로 연결하여 컴퓨터를 만든다. 각 cpu와 메모리의 소비전력이 작아 전체적으로도 매우 작은 전력으로 높은 인공지능을 수행할 수 있다. * 멤리스터 : 메모리(memory)와 저항(resistor)의 합성어. 일반 저항과 달리 저항이 고정되어있지 않고 외부의 입력에 의해 저항값이 변하며 일정 시간 이를 저장하는 메모리 역할을 한다. 기존 메모리 소자는 0/1의 2개의 상태를 기억하는 반면, 멤리스터는 100개 이상의 상태를 기억 가능한 소자이다. 그 결과, 멤리스터 1개가 메모리 8개를 대체할 수 있어서 인공 뇌 신경망의 크기와 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있다. 멤리스터는 저항값의 변화로 기억을 저장하는 새로운 소자로, 뇌세포 간 연결체이자 기억저장 기관인 ‘시냅스’를 모방하는데 사용된다. 유우종 교수 연구진은 지난 2016년 우수한 신뢰성을 보이는 플래시 메모리 기반의 ‘2전극-플로팅게이트-멤리스터’를 최초로 개발하였고, 이를 이용하여 시냅스의 기억저장 방식을 모사하였다(Nature Commun. Doi:10.1038/ncomms12725). 그러나 인간 뇌 기능을 완벽히 구현하기 위해서는 연산을 수행하는 뇌세포 모방 소자가 추가로 필요하다. * 플래시 메모리 : 전원이 끊겨도 저장된 정보가 지워지지 않는 비휘발성 기억장치로 매우 우수한 신뢰성을 보여 스마트폰, 디지털카메라 등의 휴대기기에 널리 쓰이고 있다. 연구진은 이번 연구에서 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 최초로 개발하여 뇌세포(뉴런)의 동작을 모사하는데 성공하였다(그림1). 여러 갈래로 연결된 뇌세포 간에 서로 전기신호를 주고받게 되는데, 이때 뇌세포는 전달받은 전기신호를 몸체(막전위)에 누적(누설합산 기능)하고 일정량 이상의 전기신호가 누적되면 새로운 전기신호를 발생(발화 기능)시킨다. 연구진은 먼저‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 이용하여 이러한 뇌세포의 동작을 완벽히 따라 하는 인공 뇌세포를 구현했다. ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’의 플로팅게이트의 전위는 뇌세포의 막전위를 모사하여 누설합산 기능(leaky-integrate)을 모사하였고, 순차회로로 연결된 비교기를 통해 전기신호 누적량 측정과 뇌세포의 전기신호 발화 기능(fire)을 모사하였다.‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’는 여러 개의 전극(다중전극)을 갖는 구조인데, 이를 이용하여 뇌세포 간 여러 갈래 연결을 모사할 수 있었다. 연구진은 다음으로 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’ 여러 개를 서로 연결하여 인간의 뇌세포 간 연결구조의 스스로(비지도) 학습을 모사하였다(그림2).이를 위해 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’기반 인공 뇌세포(연산소자) 12개(입력 9개, 출력 3개)를 ‘플로팅게이트-멤리스터(2016년)’인공 시냅스(기억소가) 27개로 연결한 인공 뇌 신경망 회로를 구성했다. 이렇게 구성한 인공 뇌 신경망 회로는 인간 뇌의 1차 시각 정보 처리 기능(visure cortex 1)인 방향선 구분을 사람의 간섭없이 스스로(비지도) 학습하였고, 학습한 지능으로 다양한 방향선의 방향을 완벽히 구분해내었다. 또한, 인간의 손글씨 숫자 데이터(MNIST 데이터셋)의 학습 시뮬레이션에서 인간의 간섭 없이 스스로(비지도) 학습하여 83%의 높은 정확도를 보였다. 유우종 교수는 “본 연구는 인간 뇌와 완벽히 일치하게 동작하는 인공 뇌세포, 시냅스 그리고 인공 뇌 신경망 회로의 개발을 통해 인간과 같이 스스로(비지도) 학습하는 능동적인 인공지능을 구현 했다는데 의의가 있다.”며 “인간의 지식 테두리 안에 갇혀있는 기존 지도학습과 달리, 비지도 학습은 데이터를 통해 스스로 학습하므로 인간의 지식수준을 뛰어넘는 신지식의 도출이 가능한 창의적인 인공지능 구현이 가능하다.”고 밝혔다. 본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF = 17.694)에 5월 27일 게재되었고, 최신 논문 중 최고의 논문을 선정하는 ‘에디터 하이라이트 페이지’(Editors’ Highlights page) Devices 섹션에 6월 14일 소개되었다. * Multi-neuron connection using multi-terminal floating–gate memristor for unsupervised learning (저널: Nature Communications, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38667-3, Editors’ Highlights page - Devices: https://www.nature.com/collections/bjiiabbacg) 그림1. [왼쪽] 인간 뇌의 뇌세포 간 연결구조. [오른쪽] 인간 뇌세포 및 연결구조를 모사한 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 이용한 인공 뇌세포 구조 그림2. [왼쪽위] 뇌의 1차 시각 정보 처리 기능(visure cortex 1)인 방향선 구분 [오른쪽] 이를 구현한 뇌세포(연산) 소자 12개와 시냅스(기억) 소자 27개를 연결한 ‘인공 뇌 신경망 회로’
- No. 236
- 2023-08-11
- 10138