척수는 중추신경계의 뒤쪽에 위치하고 있는 부위로, 뇌와 연결되어 운동 및 감각 신경을 관장하는 중요한 기능을 담당하고 있습니다. 척수는 앞에서 뒤쪽으로 서로 다른 종류의 신경세포를 만들어내며, 각각 특이적인 신경회로를 구성합니다. 이들은 선별적으로 특정 신경 경로를 따라 이동하여 특정 근육 또는 기타 몸 속 장기들과 연결되며, 이 연결관계를 잘 보존하여 뇌 특정 지역과 신경회로를 연결해 줍니다. 어떻게 정교하게 신경연결이 만들어지는지에 대해서는 아직 명확하지 않지만, 국소적으로 발현되는 각종 형태형성/발생 인자들에 의하여 결정되는 것으로 생각됩니다. 이러한 인자들은 세포 내 전사체계를 조절하며, 유전자 발현의 차이에 따라 서로 다른 운명을 가진 세포들로 결정되어 간다는 이론입니다. 즉, 위치에 따른 운명 결정은 주로 주변 환경에서 유래하는 인자에 의해 이루어진다고 보는 것입니다. 한편, 배발달 과정 중 뇌는 초기배아의 신경외배엽에서 유래한 신경상피세포로부터 형성되는 반면, 척수는 배아의 꼬리쪽에 있는 신경중배엽 세포로부터 신경상피세포가 유도되어 만들어집니다. 따라서 몸의 앞뒤 축을 따라서 서로 다른 유래를 가진 신경줄기세포가 배치되는 것입니다. 이렇게 세포 기원이 다르기 때문에, 환경 유래 인자에 의해서만 운명 결정이 이루어지는 것이 아니라, 그 기원에 따라서도 세포의 이후 분화 과정이 달라질 것으로 생각됩니다.
중추신경계(척수)의 형성 과정 중 진행되는 세포의 분화 과정은 상대적으로 잘 알려져 있는 반면, 이들이 어떻게 신경계의 형태를 구성하는지에 대해서는 아직 잘 알려져 있지 않습니다. 척수 형성은 신경관형성이라는 독특한 형태형성과정을 통하여 진행됩니다. 우리 연구실에서는 신경관형성 과정에 관심을 가지고 연구를 진행하고 있으며, 특히 3차원 세포배양 기술을 이용하여 신경관형성과정을 체외에서 구현하고 있습니다.

3D imaging and neuroengineering

과학의 진보는 기술의 혁신과 그에 따른 새로운 발견, 새로운 발견에 의한 새로운 개념 정립의 순서로 이루어진다고 합니다. 따라서 새로운 연구 방법론을 구축하는 것은 새로운 발견과 개념 정립에 의한 과학 진보의 첫걸음입니다. 우리 연구실에서는 앞서 설명한 연구 분야를 효율적으로해석하기 위하여 다양한 연구 기술을 개발하고 있습니다.

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• 미세패턴 기법을 이용한 신경회로망 재구성 기술: 세포는 세포부착인자에 의하여 그 위치와 특성이 결정됩니다. 따라서 적절한 세포부착인자를 원하는 형태로 제공할 수 있으면 세포의 분화 및 형태 형성을 제어할 수 있습니다. 우리 연구실에서는 이러한 미세표면가공기술을 이용한 줄기세포 및 신경세포 배양을 수행하고 있으며, 우리가 부여한 환경에 따라 세포의 성장을 실시간으로 모니터링 하는 기술을 활용하여 다양한 분석 기법을 확립하고 있습니다.

• 조직투명화와 3차원 이미징 기술: 개체와 조직은 3차원 형태를 구성하고 있는 반면, 현재의 연구 대부분은 2차원을 기반으로 수행되고 있습니다. 우리 연구팀에서는 최근 조직을효율적으로 투명화하여, 광학 기술을 이용하여 두꺼운 시료 안쪽에 있는 정보를 쉽게 추출, 3차원 이미징이 가능합니다. 이러한 기술을 기반으로 하여 3차원 분자병리 기술 개발, 투명조직 활용 재생의학 연구 등 다양한 분야의 연구를 수행하고 있습니다.