구용숙 연구실
기초의학전공(의대) 구용숙
구용숙 연구실은 신경생리학, 특히 망막 신경망의 구조와 기능, 그리고 망막 변성 질환의 기전을 심층적으로 연구하는 국내 대표적인 연구실입니다. 본 연구실은 정상 및 변성 망막에서의 신경절세포(RGC) 반응 특성, 신경망의 정보처리 방식, 그리고 전기생리학적 신호의 해석과 디코딩에 이르기까지 폭넓은 연구를 수행하고 있습니다.
특히, 색소성 망막염과 연령관련 황반변성 등으로 인한 시각 손실의 원인 규명과, 이를 극복하기 위한 인공망막(시각 보철) 개발에 중점을 두고 있습니다. 다양한 동물 모델(마우스, 영장류, 돼지, 토끼, 개 등)을 활용하여, 정상 망막과 변성 망막의 신경생리학적 차이, 자발적 신경활동의 변화, 전기자극에 대한 반응성 저하 등 임상적으로 중요한 현상을 체계적으로 분석합니다. 이러한 연구는 인공망막 이식 환자에서 나타나는 시력 한계의 원인을 과학적으로 해석하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.
연구실은 신경신호의 정밀 분석과 뉴럴 디코딩 기술 개발에도 선도적입니다. 스파이크 트레인 디코딩, 최적 선형 필터, 독립성분분석, 주성분분석, 스파이크 트리거 클러스터링 등 첨단 신호처리 기법을 적용하여, 망막 신경망의 정보 인코딩 및 디코딩 전략을 개발하고 있습니다. 이러한 연구는 인공망막 등 신경보철 장치의 자극 전략 개발, 뇌-기계 인터페이스, 신경질환 진단 등 다양한 분야로 확장되고 있습니다.
또한, 전기생리학 기반의 신경자극 기술 및 인공망막 시스템 개발에도 집중하고 있습니다. 고해상도 미세전극 어레이, 바이오호환성 소재, 다양한 자극 파라미터 최적화, 비침습적 신경자극 등 차세대 신경자극 기술을 연구하며, 실제 동물 모델을 통한 기능 검증 및 임상 적용 가능성 평가도 활발히 이루어지고 있습니다. 이러한 연구는 국내외 특허, 산학협력, 정부과제 수행 등 실용화 및 기술이전으로 이어지고 있습니다.
구용숙 연구실은 신경생리학, 신경공학, 의공학, 생명과학 등 다양한 학문 분야와의 융합연구를 통해, 시각장애 극복을 위한 혁신적 기술 개발과 신경과학의 발전에 크게 기여하고 있습니다. 앞으로도 망막 신경망 연구, 인공망막 시스템 개발, 신경신호처리 및 디코딩 등 다양한 분야에서 선도적 연구를 지속할 계획입니다.
망막 변성 및 인공망막 연구
본 연구실은 망막 변성 질환, 특히 색소성 망막염(retinitis pigmentosa)과 연령관련 황반변성(age-related macular degeneration) 등으로 인한 시각 손실의 기전을 심도 있게 연구하고 있습니다. 다양한 동물 모델(마우스, 영장류, 돼지, 토끼, 개 등)을 활용하여 정상 망막과 변성 망막의 신경생리학적 차이를 분석하고, 망막 신경절세포(RGC)의 반응 특성을 정밀하게 규명합니다. 이를 위해 다채널 전극(MEA) 기반의 전기생리학적 기록, 광학적 영상, 조직학적 분석 등 다양한 첨단 기법을 적용하고 있습니다.
특히, 변성 망막에서 나타나는 자발적 신경활동의 변화, 비정상적 네트워크 리모델링, 그리고 전기자극에 대한 반응성 저하 등 임상적으로 중요한 현상들을 동물 모델에서 체계적으로 규명해왔습니다. 이러한 연구는 인공망막(시각 보철) 개발의 기초 자료로 활용되며, 실제로 인공망막 이식 후 환자에서 나타나는 시력 한계의 원인을 과학적으로 해석하는 데 기여하고 있습니다.
더불어, 전기자극 파라미터(자극 강도, 파형, 지속시간 등)의 최적화, 망막 신경망의 정보 인코딩 및 디코딩 전략 개발, 그리고 인공망막 시스템의 장기적 안정성 평가 등 실용적 연구도 활발히 수행하고 있습니다. 이러한 연구 결과는 국내외 학술지 및 특허, 학회 발표 등으로 꾸준히 발표되고 있으며, 실제 임상 적용을 위한 기술적·이론적 토대를 마련하고 있습니다.
신경생리학적 신호처리 및 뉴럴 디코딩
본 연구실은 신경생리학적 신호의 정밀 분석과 뉴럴 디코딩(Neural Decoding) 기술 개발에 중점을 두고 있습니다. 망막 신경절세포의 스파이크 신호를 기반으로 시각 자극의 특성을 추정하거나, 전기자극에 의해 유발된 신경 반응을 해석하는 다양한 알고리즘을 개발하고 있습니다. 대표적으로, 스파이크 트레인 디코딩, 최적 선형 필터, 독립성분분석(ICA), 주성분분석(PCA), 스파이크 트리거 클러스터링(STCL) 등 첨단 신호처리 기법을 적용하여 신경망의 정보 처리 기전을 규명합니다.
이러한 신호처리 연구는 단순히 신경 신호의 기록에 그치지 않고, 실제로 시각 정보가 망막에서 어떻게 인코딩되고, 뇌로 전달되는지에 대한 근본적인 이해를 제공합니다. 또한, 인공망막 등 신경보철 장치에서 입력 신호를 효과적으로 변환하고, 환자에게 유용한 시각 정보를 제공하기 위한 자극 전략 개발에도 직접적으로 활용됩니다.
최근에는 머신러닝 기반의 신경 디코딩, 스파이크 버스트 분석, 다채널 신경 신호의 동기화 및 상호연결성 분석 등 최신 트렌드를 반영한 연구도 활발히 진행 중입니다. 이러한 연구는 뇌-기계 인터페이스(BMI), 신경질환 진단, 신경재활 등 다양한 분야로의 확장 가능성을 보여주고 있습니다.
전기생리학 기반 신경자극 및 인공망막 시스템 개발
연구실은 전기생리학적 원리를 바탕으로 한 신경자극 기술 및 인공망막 시스템 개발에 선도적인 역할을 하고 있습니다. 다양한 형태의 미세전극 어레이(3D, double-sided, flexible 등)와 바이오호환성 소재를 이용하여 고해상도, 다채널 자극이 가능한 인공망막 프로토타입을 설계·제작하고, 동물 모델을 통한 기능 검증을 수행합니다. 또한, 전기자극 파라미터(자극 강도, 파형, 펄스 수 등)의 미세 조정이 망막 신경망의 반응성과 시각 정보 전달에 미치는 영향을 체계적으로 분석합니다.
특히, 변성 망막에서의 신경절세포 반응 저하, 자발적 과활성화, 신경망의 비정상적 동기화 등 임상적 한계를 극복하기 위한 새로운 자극 전략(예: 다중 연속 바이파식 펄스, 고진폭-단시간 펄스 등)을 제안하고, 실제 인공망막 시스템에 적용 가능한 기술로 발전시키고 있습니다. 또한, 비침습적 자기장 자극, 광자극 기반 신경자극 등 차세대 신경자극 기술도 연구 범위에 포함되어 있습니다.
이러한 연구는 실제 환자에게 적용 가능한 인공망막 시스템의 성능 향상, 장기적 안전성 확보, 그리고 맞춤형 자극 프로토콜 개발 등 임상적·공학적 성과로 이어지고 있습니다. 국내외 특허 출원, 산학협력, 정부과제 수행 등 실용화 및 기술이전에도 적극적으로 참여하고 있습니다.
1
Comparison of modulation efficiency between normal and degenerated primate retina
차성광, 유용석, 구용숙
FRONTIERS IN CELL AND DEVELOPMENTAL BIOLOGY, 202407
2
Double-Sided, Thin-Film Microelectrode Array with Hemispheric Electrodes for Subretinal Stimulation
구용숙, 김소희, 김남주, 홍예지, 강유나, 서희원, Aseer Intisar, 김민석, 차성광, 안정열, 김성우, 문형민
ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES, 202406
3
The Variation of Electrical Pulse Duration Elicits Reliable Network-Mediated Responses of Retinal Ganglion Cells in Normal, Not in Degenerate Primate Retinas
구용숙, 차성광, 안정열, 김성우, 최광언, 유용석, 엄희종, 신동관
BIOENGINEERING-BASEL, 202310
1
영장류 망막신경절세포의 군집반응분석을 통한 유효전기자극 프로토콜 확립(3/3)
2
영장류 망막신경절세포의 군집반응분석을 통한 유효전기자극 프로토콜 확립
3
망막변성모사 in-vitro 및 in-vivo 모델에서 전기자극 파라미터 적합성 평가 및 검증(최종)