뇌과학연구의 의의와 중요성

1. 뇌과학의 과학적 의미
　뇌는 인간이 인간답게 살기 위한 근간을 이루는 '마음'의 기반이다. 그 때문에, 뇌는 언제의 시대에도 인간의 과학적 흥미의 큰 대상이 되어 왔다. 뇌과학은 인지, 행동, 기억, 사고, 정동, 의지 등 인간의 마음의 작용을 낳는 뇌의 구조와 기능을 밝히는 것을 통해 인간을 진정으로 이해하는 것 이다.

　이러한 연구의 진전에 의해 얻어지는 뇌과학의 연구 성과는 많은 관련 영역의 발전에 기여하는 것이며, 그 파급 효과는 생물학이나 의학에 그치지 않고, 약학, 화학, 공학, 정보학 등의 자연 과학의 많은 영역으로 넓게 확장. 또한, 지금까지의 지식의 틀 중에서 자연과학과 거리가 있다고 생각되어 온 철학, 심리학, 교육학, 사회학, 윤리학, 법학, 경제학 등의 인문·사회과학의 영역에 게다가, 예술 등의 여러 영역을 포함한 모든 인간의 정신활동의 소산인 문화가 뇌과학연구의 대상이 될 수 있다.

　이와 같이 연구대상분야의 넓은 뇌과학에서는 뇌의 구조와 기능에 대한 지견을 학문으로 추구할 뿐만 아니라 지금까지 전문분화하여 고도의 발전을 이루어 온 관련 여러 영역의 성과를 융합 활용해 나가기 위한 플랫폼을 구축하는 역할을 다할 것으로 기대된다.

2. 사회적 의의
　심신의 건강은 사람들의 절실한 소원이며, 또한 심신의 건강 수명을 늘리는 것은 저출산 고령화를 맞이하는 우리나라가 지속적으로 발전하기 위해서도 필수적이다. 사회가 고령화되어 다양화·복잡화도 진행되고 있는 가운데 정신·신경질환이나 마음에 문제를 안는 사람의 수는 현저하게 증가하고 있다.

　최근의 뇌과학 연구는 기억·학습 등의 뇌 기능, 알츠하이머병이나 파킨슨병 등의 뇌 병태, 아이의 뇌 발달에 대한 환경의 영향 등을 꾸준히 밝히고 있으며, 또한 뇌와 컴퓨터 기기와 신체보조구의 개발과의 연계에 의해, 뇌기능이나 신체기능의 회복·보완을 가능하게 하는 기술 등의 진전도 가져오고 있다. 이런 점에서 뇌과학연구는 저출산 고령화 사회를 맞이하는 우리나라의 의료·복지의 향상이나 장래적으로는 유아 보육이나 교육이 직면하고 있는 문제 등에 적절한 조언을 줄 수 있다고 한다. 관점에서 현대사회가 직면하는 다양한 과제를 극복하기 위해 사회로부터의 기대와 관심은 매우 크다.

　또한 인간이 자연과 다른 생명체와의 공존 공영을 도모하면서 풍부한 순환형 지속성 사회를 구축해 나가기 위해 뇌과학 연구의 성과에 입각한 인간과 환경과의 상호작용에 기초한 새로운 자연과학적 인간관에 전해지는 기대도 매우 크다.

　한편, 뇌과학연구의 진전에 의해 뇌에 조작을 가하는 것이 가능해져, 인격에의 영향이 있는 것이 아닌가 하는 위기도 확산되고 있다. 또한 뇌과학연구에 관한 불확실한 지견이 검증되지 않은 채로 퍼짐으로써 마치 진실처럼 취급될 위험성도 밝혀지고 있다. 이러한 것을 충분히 인식한 후 뇌과학연구의 추진을 도모할 필요가 있다.

　뇌과학연구에 전해지는 사회로부터의 기대가 높아짐에 따라 뇌과학이 장기적인 전망하에 지속적인 발전을 이루기 위해서는 뇌를 개별 장기로 취급하는 것이 아니라 인간 사회·환경과 같은 거시적인 구조 속에서 파악하고 연구를 추진하는 것도 매우 중요하다.

2-1 신경 세포 기능 및 신경 회로
　신경세포의 흥분에 의존하여 활성화하는 세포내 정보전달 분자(인산화효소 등)와 시냅스 가소성이나 기억·학습 기능과의 관련이 밝혀졌다. 또한, 특정 기능을 갖는 분자의 세포 내 운반, 집적, 유지 등의 세포 내 분자 수송의 메카니즘도 해명되고있다.

　동시에, 신경세포의 정보전달의 중요한 시냅스에서의 신경전달물질의 방출과 그 시냅스 후부에서의 수용·신호전달에 관여하는 분자의 동정과 기능의 해석이 진행되었다. 특히 시냅스 후부에 존재하는 수상돌기스파인이 신경세포간의 정보전달효율을 조절하는 기능을 갖는 것이 밝혀지고, 그 구조와 기능의 해명이 진행되고 있다. 또한, 종래의 신경전달물질의 개념에 속하지 않는 세포간전달물질이나 수식물질의 기능도 밝혀지고 있다. 이 외, 세포 내에서 기능 분자 가시화 기술이 진보함에 따라, 수용체 활성화에 의한 세포내 칼슘의 동태 및 그 정보 전달계의 기구도 급속히 해명되고 있으며, 또한 유전자 발현을 통한 장기적 뇌기능 조절과의 관련성을 개체 수준에서 해명하는 수법도 개발되고 있다.

　국소 신경 회로의 기능은 대뇌 피질을 중심으로 다양한 뇌 영역에서의 신경 세포 아형의 화학적 및 전기적 성질과 서로의 특이적인 결합이 밝혀졌기 때문에 그 해명 기초가 주어지기 시작했다. 그러나 비교적 구조가 단순하기 때문에 이해가 선행하고 있던 해마의 신경회로도 포함하여, 생체내에서의 각종 신경세포 및 특정의 신경결합의 역할을 시스템 레벨에서의 기능해명으로 연결하기에는 아직 갭이 존재하고 그 단서에 붙은 곳이다.

2-2 발생·발달
　신경 발생학에서, 신경 세포가 언제, 어느 장소에서 어떻게 형성되는지, 특정 기능을 갖는 세포로 분화하는지를 해명하는 것이 중요한 과제이다. 최근에는, 신경 유도나 전후축 형성 등, 뇌의 기본적인 해부학적 구조의 결정이나 영역 특이성의 형성을 지지하는 분자 메카니즘이 밝혀지고 있다.

　신경 줄기 세포 연구는 뉴런과 신경교가 공통 줄기 세포에서 생산되는 것으로 밝혀졌으며, 그 성장, 유지 및 분화에 관여하는 분자 신호의 존재가 확인되었다. 또한 뇌 내에는 발생기뿐만 아니라 성숙기에도 신경 줄기 세포가 존재하여 뉴런을 신생하는 것이 확인되었다. 이러한 기초 연구의 지견을 바탕으로 신경 줄기 세포를 이용한 신경 퇴행성 질환의 치료와 손상 신경계 재생을 향한 연구도 진행되고 있다.

　분화된 신경세포는 표적 세포를 향해 축삭을 투사하여 시냅스를 형성하지만, 이 과정에서 신경축삭을 유인하는 분자와 반발하는 인자가 확인되어 이들 수용체도 확인되었다. 또, 시냅스를 유도하는 분자나 특이적인 세포를 인식하는 분자도 동정되고 있다. 또한, 신경세포의 이동에 대해서도 연구가 진행되어, 대뇌피질의 층형성에 필요한 이동의 제어가 밝혀지고 있다.

　신경계의 생후 발달기에서의 연구에서는 감수성기(임계기)의 발현 메카니즘의 이해가 진행되어, 그 개시나 종지를 약물에 의해 조작할 수 있는 가능성이 나타났다. 또한, 고주파 사용 시냅스의 강화, 저주파 사용 시냅스의 깎기 등의 형태 변화 및 기능 변화가 밝혀졌다. 발달기에 있어서의 시냅스의 변화는, 성숙기에 있어서의 시냅스 가소성과도 관련되어 유전자 재조합 마우스 등을 구사하여 개체 수준에서도 검증이 이루어지고 있다.
　또한, 특정 유전자가 갖는 기능을 특정 부위나 시기에 조작하는 기술이 확립되어, 뇌의 발달 시기나 부위에 의존하는 기능의 해명이 진행되어, 신경 질환의 치료에도 응용 가능한 것을 알 수 있다.

2-3 시스템 신경 과학
　시스템 신경과학에서는 감각, 운동, 인지, 학습·기억, 정동, 주의, 의식 등 다양한 뇌 기능에 관한 통합적인 연구가 진행되어 왔다. 감각 시스템에서, 특히 시각 시스템에서, 지각 된 정보는 어떤 신경 회로에 의해 특징 추출이 수행되고 계층이 다른 뇌 영역에서 처리되는지, 그리고 정보 처리 과정을 통해 어떻게 "보인다" '라는 지각이나 인지가 생기는지에 대한 개요가 밝혀지고 있다. 청각 시스템에서도 계층 구조의 각 단계에서 어떤 정보 처리가 수행되는지에 대해 많은 것이 밝혀졌습니다.

　한편, 운동계에 관해서는, 안구 운동이나 보행 운동 등을 생성하는 기본적인 신경 회로가 밝혀짐과 동시에, 그들을 조절하는 소뇌나 대뇌 기저핵의 기능이나 학습의 메카니즘이 밝혀지고 있다. 또한, 1차 운동야 이외의 다양한 고차운동 관련 영야의 존재가 밝혀지고, 행동의 계획이나 실행에 있어서의 그들의 역할 분담도 밝혀져 왔다. 게다가 행동의 선택이나 의사결정에 있어서의 대뇌기저핵이나 대뇌피질 관련 영야의 기능해명도 진행되고 있다.

　또 학습·기억이나 정동에 관여하는 측두엽이나 편도핵, 해마를 비롯한 뇌 영역의 기능 분화에 관한 연구도 진전하고 있다. 게다가 주의나 의식 등 보다 고차적인 뇌기능에 대해서도 연구가 단서에 대해 오고 있으며, 의식과 관련된 신경활동이 다양한 뇌영역에서 확인되고 있다. 그 중 의식에 오르지 않지만 행동결정에 중요한 역할을 하는 신경활동의 동정 등 '무의식'의 세계도 연구의 대상으로 여겨지고 있다.

　이들은 모두 원숭이, 쥐, 마우스 등을 대상으로 하는 동물 실험, 인간을 대상으로 하는 비침습적 뇌 기능 이미징법이나 뇌에 대한 자기 자극법, 나아가 계산론에 의한 모델링이나 시뮬레이션 등의 연구 기법 가 서로 영향을 주어 전개되고 있다.

2-4 자율뇌 기능 조절 기구
자율신경이나 내분비계를 통해 체온, 혈압, 혈당치 등의 체내의 항상성을 유지해, 수면·각성 등의 생체 리듬의 조정, 섭식·에너지 대사의 조절, 적절한 스트레스 반응 등을 통어한다 사령탑으로서 생명과 건강을 지지하고 있는 동안 뇌(시상·시상 하부)·중뇌·교·연수 및 대뇌 변연계를 중심으로 한 뇌의 기반적 기능(자율 뇌 기능)에 관한 연구가 진행되고 있다 .

　많은 기초연구를 통해 체온조절, 순환, 섭식·만복의 중추나 생물시계 등의 국재와 기능적 역할이 밝혀지고, 신경핵을 연결하는 회로망의 신경전달물질의 동정이 진행되어 왔다. 또한, 최근, 이들 뇌 기능에 더하여, 기호와 보수, 공격성이나 모성 행동 등에, 다양한 신경 펩티드나 생리 활성 물질 등이 깊이 관련되어 있는 것이 밝혀졌다. 또한 자율 뇌 기능에 관한 신규 펩티드의 탐색에 있어서는 일본의 연구자가 선구적인 역할을 수행하여 국제적으로 높은 평가를 얻고 있다.

　생체 리듬에 대해서는 일본 연구 그룹이 세계 최초로 포유류 시계 유전자(Period, Bmal1)를 발견하고 생물 발광에 의한 분자 이미징법의 개발에 의해 기능 해석을 비약적으로 발전시키는 등 세계를 선도한다 위치에 있다. 또한 체온 조절이나 순환계의 항상성 유지에 대해서도 온도, pH, 삼투압에 반응하는 이온 채널(TRP: transient receptor potential) 등 다양한 센서 분자의 동정, 이미징이나 전기 생리학적 수법을 구사 한 기능 해명 등 우리나라 연구자가 중요한 역할을 하고 있다.

　또한, 말초 장기로부터의 액성 인자나 자율 신경을 통한 식욕·대사 조절 등의 생체 항상성과 고차 뇌 기능을 제어·수식하는 기구, 스트레스에 의한 순환 질환·대사 질환·소화관 질환이나 면역 저하의 유발 등 뇌-말초 장기 연관, 뇌-면역 연관에 관한 연구도 진행되고 있다.

2-5 정신·신경질환
　신경질환 중에서도, 특정 신경세포가 진행성으로 탈락하는 신경퇴행성 질환은 사회의 고령화에 따라 증가하고, 그 중요성이 증대되고 있다.
　우울증은 자살의 요인이 되는 등 큰 사회 문제가 되고 있다. 스트레스의 영향을 조사하는 연구, 항우울제의 약리 작용을 조사하는 연구는 행해지고 있지만, 병리학적 연구는 거의 없고, 질환 개념 자체가 미성숙인 것과 동시에, 객관적인 진단법도 미확립으로 있다. 또한, 신경세포의 형태학적 변화가 그 병태에 관여한다는 가설이 제안되었지만, 사후 뇌 연구에 의한 검증은 거의 행해지지 않았다. 또한 우울증에는 심리 사회적 스트레스, 학대 등의 양육 문제, 생활 리듬 문제, 유전 요인, 성격, 후성 유전 요인, 뇌 노화 등 다양한 요인이 관여하는 것이 시사되고 있으며, 다방면으로부터의 접근이 기대되고 있다.

2-6 계산론, 브레인 머신 인터페이스 등

 

 소뇌의 내부 모델 이론, 대뇌 피질의 확률 추론, 대뇌 기저핵의 강화 학습 등, 뇌 기구를 정량적으로 모델화해 예측하는 것이 가능하게 됨과 동시에, 실험 뇌 과학과의 융합이 급속히 진행되고 있다 이다. 또한, 독립 성분 분석이나 서포트 벡터 머신 등, 뇌내 정보 처리에 배운 새로운 신호 처리 알고리즘이나 기계 학습 수법의 개발이 진행되어, 널리 응용되게 되고, 나아가, 뇌의 학습 원리의 일부에 대해서 이론적인 해명이 진행된 것을 기초로 감각운동 기능을 가지고 모방·학습하는 로봇의 설계, 시작, 응용이 진행되어 왔다.

　뇌형 칩의 개발은 인공망막칩(비전칩) 등으로 산업화되어 경제파급효과를 만들어 사회에 영향을 주었다. 또한, 비침습 뇌 기능 계측에 의해 얻어진 신호로부터 인간의 의도나 수용하고 있는 자극을 추정하는 뇌 정보 해독 기술이 눈부신 진보를 이루고 있다. 특히 비침습적인 방법으로 뇌활동을 계측하고 사용자의 훈련 없이 뇌내의 정보를 해독하는 기술에서는 일본은 세계를 선도하고 있다. 그것과 보완 관계에 있는 뇌 정보 제어 기술과 함께 브레인 머신 인터페이스 기술로서 더욱 시스템화가 진행될 것으로 기대되고 있다.

2-7 사회성 뇌과학
　뇌가 발생·발달해, 환경과의 상호작용에 의해 고도의 기능을 얻어 가는 과정에 있어서, 「마음」의 형성 과정이나, 사회적 행동을 규정해, 다양하고 대규모의 사회 조직과 문화의 형성 기반 ‘마음’의 작용을 이해하기 위한 연구가 최근 모에적으로 진행되고 있다.

　'마음'의 형성에는 유전적 배경과 생육환경이 영향을 미치지만, 전자에 대해서는 다양한 발달장애의 병태나 유전자형에 관한 연구가 전개되고 있다. 특히 자폐증은 정신질환 중에서도 유전율이 높다고 되어 그 후보 유전이 탐색됨과 동시에 모델 동물도 개발되었다. 후자에 대해서는, 생후 최초로 영향을 주는 것이 친자 관계이기 때문에, 부모의 양육 행동과 아이의 발달의 인과 관계에 관해서, 동물 모델을 이용한 연구가 전개되고 있다. 게다가 유아기에서의 학대가 정신발육에 어떠한 장애를 가져, 그 장애는 어떠한 양육을 실시하는 것으로 어느 정도까지 회복하는가 하는 문제를, 뇌 기능의 변화로서 파악하는 연구도 개시되고 있다 .

　사회적 행동의 확립에서는 자기와 타인을 식별하고 타인의 의도와 감정을 이해하는 것이 필수적이다. 타인의 심적 상태를 추측하는 정신 기능은, 인지 심리학 분야에서는 「마음의 이론」으로서 연구되어 왔지만, 그 뇌에 있어서의 실체를 전기 생리학적 수법이나 뇌 기능 이미징법을 이용해 해명하자 하는 연구가 현재 행해지고 있다. 운동의 실행과 타인의 행위의 양자에 관련된 「미러 뉴런」은, 당초, 원숭이의 운동 전야 복측부에서 발견되었지만, 이와 유사한 활동이 인간 뇌 기능 화상에서도 검출되면, 이것 를 언어나 커뮤니케이션의 기반으로 간주한 연구가 진행되어 '마음의 이론'과 공통의 뇌활동도 보고되고 있다. 이러한 '마음'의 작용을 제어하는 ​​뇌기능의 이해는 정서장애, 히키코모리, 왕따 등의 사회적 병리의 해명에 본질적이며, 동물 모델과 인간 뇌기능 이미징의 상호작용에 의한 연구의 한층 더 의 진전이 기대되고 있다.

　인간 사회의 큰 특징은 가족이나 근친 집단에 한정되지 않는 다양하고 대규모 조직이나 지구적 규모의 정치·경제 네트워크를 구축하는 것이다. 이것은 인간이 가지는 모방이나 언어 등의 커뮤니케이션 기능과 그 위에 성립하는 문화적 계승, 또한 그 뒤에 있는 정동 제어가 깊이 관여하고 있다고 생각된다. 이러한 관점에서 개개인의 마음의 작용에 주목하여 경제이론을 확립하려는 '신경경제학'이 주목받고 있으며, 또한 인간이 공존해 나가기 위한 사회규범과 행동윤리 의 기반이 되는 마음의 작용이 어떠한 메카니즘에서 태어나는지에 대해서도 현대뇌과학이 해명해야 할 과제가 되고 있다. 이러한 연구를 추진하기 위해서는 기존의 뇌과학의 틀을 넘어 인문·사회과학제 영역과의 융합이 필수 불가결한 단계를 맞이하고 있다.

　미국에서 뇌과학연구에 대한 조성을 하는 또 다른 정부기관으로서 국립과학재단(National Science Foundation; NSF)이 있다. NSF의 부국의 하나 생물과학국의 예산 항목 중에는 행동 시스템, 신경 회로의 세포 생물학적 발달 기구, 계산론적 신경 과학, 신경 내분비, 감각 수용 시스템 등의 영역이 설정되어 있다 그 외, 동국 분자·세포 생물 과학부의 예산 항목 중에는, 신경 세포의 정보 전달 기구, 유전자 발현 조절, 세포막, 대사 연구가 다루어지고 있다. 또한 사회학·행동과학·경제학국에는 인지·정신·언어과학 등을 다루는 행동·인지과학부가 조직되어 있다. 

　영국에서는 의학연구회의(Medical Research Council; MRC)의 2006년 신경과학·멘탈 헬스 예산은 약 1억 9백만 파운드(약 238억엔)로 MRC 예산의 약 19%이며 분자 세포 생물학·기초의과학 예산의 약 1억 9천만 파운드(약 34%)에 이어 두 번째 점유율을 차지하는 연구 영역이다. 영국 보건성(UK Health Departments) 전체의 연구개발비에 있어서의 질환종별의 비교(2006년 보고서)에서도, 암의 약 28%에 이은 약 22%가 정신·신경 관련 질환에 배분되고 있다. 또, MRC가 우선도가 높은 연구 영역으로 꼽고 있는 7개 영역 중, 4개 영역(만성 피로 증후군, 다발성 경화증, 심장 건강에 관한 신경 생물학적 기반, 사회성 신경과학)이 신경 과학에 직접 관련되는 것이며, 고령화나 사회 시스템의 변화에 ​​수반하는 정신·신경 관련 질환에 중점화하는 방향성이 명확하게 내세워지고 있다.

　이 외 EU 국가에서는 다국간 공동 연구개발 체제가 구축되어 왔다는 점이 주목된다. 예를 들어, 불독공동의 강자장 자기공명에 의한 신경질환의 토모그래프(단층촬영) 기술 프로젝트(약 2억 유로(약 3백억엔)/5년)에서는, 불국의 강자장 자기 공명 연구 시설 NEUROSPIN과 , 독국의 요코선 토모그래피 시설(유리히 연구 센터)과의 공동 체제가 취해지고 있다.