자연과학대학 홍보기자단 자:몽 5기 | 권세은

 인공지능을 활용한 신경과학 연구를 통해 인간의 복잡한 뇌와 소아청소년의 정신 질환을 이해하고 인류를 행복한 삶으로 이끈 차지욱 교수님께 자몽상을 수여합니다!
    
      

그림 1. 서울대학교 심리학과 차지욱 교수님. (사진 = 차지욱 교수님)
   
     

자몽이 바라본 노벨상
     
 우울증은 의욕 저하와 우울감을 비롯한 여러 인지 및 정신⋅신체적 증상을 일으켜 일상 기능을 저하시키는 질환이다. 매년 우울증을 겪는 환자의 수는 크게 증가하고 있다(서울대학교병원). 2020년에는 우울증 환자의 수가 전세계적으로 약 2억 7000만 명에 이르렀다고 보고되기도 했다(World Health Organization, 2020). 우울증 환자의 2/3이 자살을 생각하고 그 중 10~15%가 실제로 자살을 시행할만큼, 우울증은 인간의 삶에 큰 불행을 가져올 수 있는 질병이다. 우울증뿐만 아니라 자폐증, 조현병 등의 정신 질환은 발병 원인이 정확히 규명되지 않았고 뚜렷한 치료법이 없어 많은 이들을 고통스럽게 한다. 이에 인류를 정신 질환으로부터 해방시키고 건강과 행복을 찾는 연구가 계속되고 있다. 행복은 인류가 긴 삶의 여정을 통해 궁극적으로 도달하고자 하는 중요한 가치 중 하나로, OECD는 자기 삶에 대한 만족감과 감정이 긍정적이고 삶의 의미와 목적이 분명한 상태로 정의한다. 행복한 인간은 자신의 잠재력과 창의성을 충분히 발휘할 수 있으며 건강하고 진취적인 삶을 영위할 수 있고 주위 사람들에게도 행복을 전달할 수 있다.  
 따라서 정신 질환과 인간의 복잡한 뇌를 이해하려는 연구는 인류의 최종 목적지인 행복에 이르도록 할 수 있다는 점에서 노벨상이 수여되는 기준인 ‘인류를 위한 큰 공헌’에 부합한다. 이에 따라 이번 기사에서는 뇌의 구조와 기능에 관한 연구를 통해 뇌의 작동 원리를 밝히고 여러 정신 질환의 병리학적 특성을 규명하고자 한 서울대학교 심리학과 차지욱 교수님을 자몽상 수상자로 선정했다.
    
크고 작은 성공과 실패를 거듭하며

 문학을 좋아했던 차지욱 교수님은 고등학교 시절, 법학 대학에 진학하기를 희망했다. 그러나 수능에서 기대했던 점수를 받지 못하고 고려대학교 환경생태공학부에 입학하게 된다. 대학교에서 문학 수업을 즐겨 들으며 러시아의 언어와 문학에 대해 공부하기를 희망하기도 했던 차지욱 교수님은 자신이 흥미를 갖고 꾸준히 공부할 수 있는 분야가 무엇인지 적극적으로 탐구했다. 그러던 중 많은 심리학 과목을 수강하면서 심리학에서 다루는 다양한 행동의 기저에 있는 뇌에 대해 연구하기로 결정한다.
 당시 국내에는 뇌과학을 깊이 있게 연구하는 연구실이 많지 않았다. 그래서 차지욱 교수님은 신경 해부 연구를 할 수 있는 가톨릭대학교 의과대학 해부학 교실에서 석사 연구를 시작한다. 이곳에서 망막 신경세포의 형태적 연구를 하던 중 우연히 망막 시각 정보 처리를 설명하는 계산적 신경생리학 연구 논문(자료1)을 읽고 깊이 감명받아 컴퓨터 모델링을 이용한 뇌 분석에 관심을 갖게 되었다. 신경생물학 석사 학위를 취득한 후 뇌를 구성하는 뉴런 연결망이 복잡한 행동과 감정을 만들어내는 원리를 연구하는 Anthony Zador의 연구실에서 연구를 하고 싶다는 목표가 생겼다. Anthony Zador의 연구실이 소속된 *Cold Spring Harbor가 뉴욕주립대학교 스토니브룩과 교류 관계를 맺고 있었기 때문에, 교수님은 뉴욕주립대학교 스토니브룩에서 신경과학 박사 학위를 취득한다.
 이후 더욱 심도 있는 연구를 하기 위한 연구실을 선택하는데, 논문을 통해 연구를 접하는 것과 실제로 연구실에서 연구를 진행하는 것에는 큰 차이가 있음을 느끼고 처음 목표했던 Anthony Zador의 연구실이 아닌 Lillianne Mujica-Parodi의 연구실로 향한다. 이곳에서 공포(fear)와 불안(anxiety)의 신경회로와 행동에 대한 인지과학(자료2), 통계물리학(자료3), 계산과학 연구를 수행했다. 
 박사 후 연구원을 시작할 때, 교수님은 박사 과정 중 다뤘던 공포와 불안에 관해 더 깊이 연구하고 싶다는 생각이 들었다. 그간 *공포 조건화와 다양한 변인들 및 조건의 일반화에 대해 많은 논문을 발표해 왔으므로, 이러한 경력을 활용할 수 있는 NIH의 Christian Grillon 연구실에 지원했다. 이 연구실에서 공포 조건화에 대한 이해를 바탕으로 감정이 발생하는 원리에 대해 좋은 환경에서 많은 연구를 할 수 있을 것이라 기대했다. 그러나 예상과는 달리 박사 후 연구원으로 선발되지 못했고, 차선책으로 생각해 두었던 컬럼비아 의과대학 소아청소년정신과 연구실에서 일하게 되었다. 계획과는 다른 곳에서 박사 후 연구원을 하게 되었지만, 이곳에서는 컴퓨터 모델링을 활용한 인지 신경과학 연구 자료를 다양하게 접할 수 있다는 장점이 있었다. 또한 2014년 당시 세계적으로 인공지능과 데이터과학에 대한 관심이 급증하면서 대학에서는 컴퓨터과학 전문가에게 많은 지원을 해주었고, 덕분에 차지욱 교수님은 컴퓨터 분석에 기반한 신경과학 연구를 활발히 진행할 수 있었다. 박사 후 연구원을 마치고 2016년부터 컬럼비아 의과대학 소아청소년정신과에서 약 4년 간 조교수로 지낸 후, 2020년부터 서울대학교 심리학과 커넥톰 연구실에서 교수로 일하며 인간신경과학, 인공지능의 신경과학 활용 등에 대한 연구를 이어나가고 있다.
     
*Cold Spring Harbor: 1890년에 설립된 이래로 8명의 노벨상 수상자를 배출한 세계적인 연구기관으로, 암, 신경과학, 식물학 등 다양한 생물학 분야에 대한 전문적인 연구를 진행한다.
*공포 조건화: 일반적으로 아무 행동도 유발하지 않는 자극(neutral stimulus)을 본능적으로 공포를 유발하는 자극(unconditioned stimulus)과 연계시키는 연합 학습(associative learning)의 일종이다.
     
유전자와 환경, 인지 능력의 관계를 연구하다

 차지욱 교수님의 연구실에서는 실험적으로 얻은 데이터로부터 가설을 새롭게 생성하며 진행되는(“data-driven”) 연구와 여러 분야의 실험 결과를 종합하여 과학적 발견을 이끌어내는(“interdisciplinary”) 연구가 함께 진행되고 있다.
 어린 아이의 뇌와 유전체의 관계를 알아보는 연구에서는 NIH ABCD(Adolescent Brain and Cognitive Development)가 발표한 자료와 슈퍼컴퓨터를 이용한 데이터 분석 결과를 종합해 뉴런이 연결된 정도, fMRI 활성도 등의 뇌 표현형이 높은 비율로 유전됨을 밝혀냈다. 나아가 9-10세 아이들에서 심리적 불안감, IQ, BMI 지수, ADHD 등 감정적, 인지적 형질을 설명할 수 있는 *유전 점수를 계산했다. 이를 바탕으로 *정준상관분석을 진행하여 피질의 면적 또는 부피 등과 해당 형질이 어떤 상관관계를 갖는지 분석하였다. 그 결과, 인지 능력을 결정하는 IQ 등의 유전 점수는 특정 피질 부위의 면적 또는 부피와 양의 상관 관계를 가지는 것으로 나타났다. 즉, 해당 인지 능력이 발달할수록 그 능력에 관여하는 피질 부위의 면적이나 부피가 증가했다. 반면 우울증, ADHD 등의 유전 점수는 특정 피질 부위의 면적 또는 부피와 음의 상관 관계를 가지는 것으로 드러났다. 이를 통해 어린 아이들이 가진 유전적 특성이 뇌의 발달에 영향을 미쳤을 것이라는 결론을 도출했다.
 또한, 어린 아이의 자살 가능성에 유전자가 미치는 영향을 알아보는 연구도 진행되고 있다. 만 명이 넘는 아이들에서 건강한 정도, 흡연 여부, PTSD 경험 여부 등 다양한 형질에 대한 유전 점수를 매겼다. 그리고 이로부터 자살 가능성과 유의미한 상관 관계를 가지는 많은 수의 형질을 찾아냈다. 실험 결과, ADHD, 조현병, 불면증, 자폐증을 가진 아이들이 자살 시도를 할 확률이 높으며 행복감과 인지 능력이 높은 아이들의 자살 가능성이 낮음을 알게 되었다. 또 뇌 영상 데이터와 유전 점수에 대한 종합적인 분석을 바탕으로 자살 행동을 일으키는 자살 생각(suicidal ideation)에 백질 연결성, 회백질 형태 계측 등이 영향을 미침을 밝혀냈다.  
 이뿐만 아니라, 유전될 확률이 높은 정신 질환 중 하나인 우울증이 부모 세대에서 자손 세대로 유전되는 인지과학적 메커니즘에 관한 연구를 진행하고 있다. 부모 세대가 우울증을 가질 때 아이들이 가진 우울증과 관련된 형질들의 유전 점수가 높아지고, 이에 따라 정신 질환이 발생할 가능성이 높아질 것이라는 가설을 바탕으로 실험을 진행했다. 실험 결과를 통해 부모 세대가 우울증을 가진 경우 자손 세대에서 우울증과 *양극성 장애에 대한 유전 점수가 높게 나타남을 알아냈다. 이 외에도 fMRI, 뇌 이미징 자료 등을 ‘Transformer’라는 뉴럴넷에 학습시켜 인지 과제에 대한 뇌의 반응이나 뇌 질환 예측, 성별 분류 등이 이루어지도록 하는 연구를 진행해오고 있다.
 또 어린 시절에 경험한 학대, 무시 등의 부정적 경험(life stress)이 인지 발달에 어떤 영향을 미치는지 알아보는 연구도 진행되고 있다. 이 연구는 뇌 인지 형질에 대한 유전 점수가 뇌 구조와 높은 연관을 가지고, 뇌 구조는 다시 지능과 높은 관련성을 보인다는 점에 기반한다. 이때, 학대 등의 경험은 이러한 지능 발달 과정에 부정적인 영향을 미친다는 사실이 연구를 통해 정량적으로 예측되었다. 나아가 뇌 인지 능력에 관한 유전 점수 등의 유전적 요인과 학교 및 가정 환경 등의 환경적 요인에 관한 대규모 실험 결과를 컴퓨터로 모델링하여 유전자와 환경이 아이의 정신 질환에 종합적으로 미치는 영향을 알아보기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.     
     
*유전 점수(gps; genomewide polygenic score): 특정 표현형에 대해 여러 유전적 변인들이 미치는 영향을 숫자로 표현한 것. 유전 점수가 높을수록 해당 형질은 유전자의 영향을 크게 받는다.
*정준상관분석(canonical correlation analysis): 종속 변수 집단과 독립 변수 집단의 상관 관계를 선형 결합을 이용해 효과적으로 분석하는 방법.
*양극성 장애: 기분이 들뜨는 조증과 기분이 가라앉는 우울증이 반복해서 나타나는 기분 장애.
       
내일의 인류가 더 행복하려면

 매년 전 세계적으로 약 70만 명이 넘는 사람들이 자살로 목숨을 잃고 있으며, 그보다 많은 수의 사람들이 자살을 시도하고 있다(WHO, 2021). 특히 우리나라의 경우 인구 10만 명 당 평균적으로 28.6명의 자살률을 보이며 이는 세계에서 4번째로 높은 수치이다(World Population Review, 2023). 또한 우리나라의 여성 한 명당 출산율은 0.78로 세계에서 가장 낮다(KOSIS). 이로 인해 많은 전문가들은 우리나라의 인구가 2024년 약 5100만 명으로 최대치를 찍은 후 점차 감소하다가 2065년에는 인구의 절반 이상이 65세 이상이 될 것이라고 예측하기도 한다. 
 인간이 사회 구성원으로 살아가면서 겪을 수 있는 정신 질환에 대한 부담과 실제로 겪게 되는 정신적 스트레스는 높은 자살률과 낮은 출산율의 중요한 원인이 된다. 퀸즐랜드 대학교의 Harvey A Whiteford 교수는 정신 질환을 겪는 성인 환자의 75%가 25세 이하의 소아청소년 시기부터 정신과 질환을 경험한다는 연구를 발표한 바 있다. 즉 현대 사회에서 정신 질환에 따른 고통을 줄이기 위해서는 소아청소년 시기에 정신 질환에 대한 예방과 치료 및 사회적 차원의 보호와 관리가 반드시 필요하다. 그러나 많은 과학자와 의료진의 노력에도 불구하고 여전히 소아청소년 시기의 정신 질환에 대한 과학적 이해와 사회적 안전망은 턱없이 부족하다.
 세 아이의 아빠이자 컬럼비아 의과대학 소아청소년정신과에서 연구원으로 지내기도 했던 차지욱 교수님은 전 세계 모든 아이들이 정신적으로 건강하고 행복하게, 웰빙(well-being)을 추구하며 살아갈 수 있도록 돕는 과학 연구를 펼쳐오고 있다. 웰빙은 넓은 의미에서 행복하고 삶의 만족도가 높으며 질병이 없는 상태를 모두 포괄한다. 교수님은 과학과 기술의 발전을 통해 정신 질환을 겪는 개인에게 신속하고 정확한 맞춤형 치료를 제공할 수 있을 것으로 예상한다. 인류에게 닥친 ‘정신 질환과 그에 따른 높은 자살률’이라는 문제를 해결하고 소아청소년이 정신적으로 건강하게 성장할 수 있도록 돕는 것을 목표로 하는 교수님의 연구는 미래 사회를 더욱 행복하고 건강하게 만들어 줄 것이다.
   
      

         
그림 2. 세 자녀를 둔 차지욱 교수님은 소아청소년이 정신적으로 건강하게 성장할 수 있도록 돕는 연구를 펼쳐오고 있다.
(사진 = 차지욱 교수님)
     
       

다섯 번째 자몽상의 주인공, 차지욱 교수님
    
 성장 과정에서 다양한 자극에 노출되는 인간은 그에 따른 심리적 스트레스 및 정신 질환으로부터 자유롭지 못하다. 그러나 인간은 행복할 때, 비로소 건강하고 발전적이며 인생의 의미를 온전히 이해하는 삶을 살아갈 수 있다. 그러므로 정신 질환을 일으키는 다양한 원인들과 발병 메커니즘, 유전체 분석을 통한 진단 및 예방과 치료법 등에 관한 과학적 이해는 인류가 행복한 삶을 누릴 수 있도록 하는데 반드시 필요하다.
 이번 기사에서는 다섯 번째 자몽상의 주인공으로 서울대학교 심리학과 차지욱 교수님을 선정했다. 교수님이 현재의 자리까지 오게 된 과정에는 크고 작은 실패와 성공이 있었다. 가고 싶었던 연구실을 가지 못했을 때도 있었고, 번번히 선택의 기로에 놓이기도 했다. 그러나 그럴 때마다 교수님은 자신이 연구실에 어떤 기여를 할 수 있는지, 자신이 가진 능력과 기술, 앞으로 펼쳐나갈 연구가 사회적 문제를 어떻게 해결할 수 있는지에 집중했다. 그 결과 소아청소년의 건강한 성장과 행복을 연구하여 많은 이들을 정신적 고통에서 해방시키고 행복한 인간으로 살아갈 수 있도록 도움으로써 인류의 발전에 크게 공헌하는 과학자가 되었다.
 연구를 하다 지칠 땐 세 아이들과 아이처럼 놀며 다시 힘을 얻는다고 전한 교수님은 아픈 몸을 챙기듯 아픈 마음도 정성을 들여 돌봐주어야 한다고 말한다. 마음의 병이 너무 깊어지기 전에, 병원에 가서 약을 처방받거나 전문가와 이야기를 나누고 일상에서 벗어나 여행을 떠나는 등 지친 마음을 세심히 보듬어 주어야 한다는 것이다. 수많은 사람들의 표정을 살피며 바쁜 하루를 살아가다 보면 지금 나의 마음이 충분히 행복한지 미처 돌아보지 못할 때가 많다. 그럴 때마다 잠시 시간을 내어 스스로의 마음을 챙기고 불안한 내면의 ‘나’에게 용기를 북돋아 준다면 지쳤던 오늘도, 새롭게 시작될 내일도 행복한 기억으로 가득한 하루가 될 것이라 생각한다. 
   
    

[자료]
[1] Gollisch, Tim, and Markus Meister. Rapid neural coding in the retina with relative spikelatencies. Science 319.5866 (2008): 1108-1111
[2] Cha, J., Greenberg, T., Carlson, J. M., DeDora, D. J., Hajcak, G., & Mujica-Parodi, L. R. Circuit-wide structural and functional measures predict ventromedial prefrontal cortex fear generalization: implications for generalized anxiety disorder. Journal of Neuroscience, 34(11) (2014): 4043-4053
[3] Cha, J., DeDora, D., Nedic, S., Ide, J., Greenberg, T., Hajcak, G., & Mujica-Parodi, L. R. Clinically anxious individuals show disrupted feedback between inferior frontal gyrus and prefrontal-limbic control circuit. Journal of Neuroscience, 36(17) (2016): 4708-4718
     
[참고 문헌]
[1] https://www.connectomelab.com/home
[2] Integrative Data Science of Developmental Neuroscience, 차지욱 교수, 2022 @SNU BCS
[3] Whiteford, Harvey A et al. Global burden of disease attributable to mental and substance use disorders: findings from the Global Burden of Disease Study 2010. Lancet (London, England) vol. 382,9904 (2013): 1575-1586
    
     
자연과학대학 홍보기자단 자:몽 권세은 기자 kwonseeun@snu.ac.kr
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