신경 다이나믹스 연구실은 행동과 인지 과정에서 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 근본적인 원리를 탐구합니다. 살아있는 실험동물의 뇌에서 단일 뉴런부터 대규모 신경 집단에 이르기까지 다양한 수준의 신경 신호를 기록하고 분석함으로써, 행동, 감정 기억, 의사결정 등 복잡한 인지 기능이 어떻게 신경 회로의 상호작용을 통해 구현되는지 밝히고자 합니다. 이를 위해 전기적 신호(스파이크)와 화학적 신경조절물질의 동적 변화를 실시간으로 측정하고, 신경 집단의 동기화와 네트워크 재구성 과정을 정밀하게 추적합니다. 이러한 연구는 신경 회로의 연결성과 기능적 구조를 해명하는 데 중점을 두며, 특히 보상, 동기부여, 감정, 기억, 의사결정과 같은 행동적 출력이 신경 집단의 동적 상호작용에 의해 어떻게 생성되는지에 대한 새로운 통찰을 제공합니다. 최신 전기생리학 기술과 맞춤형 미세 신경칩, 대규모 다채널 전극 어레이를 활용하여 수백 개의 뉴런 신호를 동시에 기록하고, 신경 네트워크의 시간적·공간적 패턴을 분석합니다. 이러한 접근법을 통해 건강한 뇌뿐만 아니라 파킨슨병, 헌팅턴병 등 다양한 뇌 질환 모델에서 신경 회로의 이상 신호와 그로 인한 행동 변화도 심층적으로 연구하고 있습니다. 궁극적으로, 신경 다이나믹스의 원리를 규명함으로써 뇌 질환의 조기 진단 및 치료 전략 개발에 기여하고, 뇌 기능의 근본적 이해를 확장하는 데 목표를 두고 있습니다.

본 연구실은 뇌 신호를 실시간으로 기록하고 조작할 수 있는 첨단 뇌 인터페이스 및 신경 이미징 기술을 개발하는 데 선도적인 역할을 하고 있습니다. 자체 설계한 미세 신경칩 기반의 초정밀 전기생리학 장치와 광신경칩, 맞춤형 다채널 전극 어레이, 그리고 넓은 시야를 제공하는 차세대 형광 현미경 등 다양한 하드웨어 플랫폼을 구축하여, 뇌의 여러 영역에서 발생하는 신경 신호를 동시다발적으로 측정하고 분석합니다. 특히, 광유전학(optogenetics)과 결합된 실시간 신경조절 기술을 통해 특정 신경회로의 활성화 또는 억제를 정밀하게 조절함으로써, 신경회로의 인과관계와 기능적 역할을 직접적으로 규명할 수 있습니다. 또한, 대규모 신경 신호의 다차원 빅데이터를 기반으로 한 기계학습 및 신경 디코딩 알고리즘을 개발하여, 뇌 신호로부터 행동을 예측하거나 뇌-기계 인터페이스(BMI) 구현에 필요한 핵심 기술을 확보하고 있습니다. 이러한 기술적 혁신은 뇌 질환의 진단 및 치료, 인공 신경망 기반의 신경 보철, 웨어러블 디지털 헬스케어 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있습니다. 연구실은 국내외 유수 연구기관과의 협력을 통해, 신경 이미징 및 인터페이스 기술의 한계를 극복하고, 뇌 연구의 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.

도파민 신경회로는 보상, 동기부여, 운동 조절 등 다양한 행동과 인지 기능에 핵심적인 역할을 합니다. 본 연구실은 도파민 신경회로의 동적 변화를 실시간으로 측정하고, 광유전학 및 전기생리학적 기법을 활용하여 도파민 신경회로의 활성화가 행동에 미치는 영향을 정밀하게 분석합니다. 이를 통해 도파민 신경회로가 보상 기반 학습, 조건화된 운동, 의사결정 과정에서 어떻게 작동하는지, 그리고 이 과정이 뇌 질환에서 어떻게 변화하는지 규명하고 있습니다. 특히, 파킨슨병, 헌팅턴병 등 운동 및 신경정신질환 모델에서 도파민 신경회로의 이상 신호와 그로 인한 행동 장애를 심층적으로 연구하고 있습니다. 최신 논문에서는 생리적 범위 내에서의 도파민 신호가 순간적인 운동 조절에 미치는 영향이 제한적임을 밝혀내는 등, 도파민 신경회로의 실제적 역할과 한계를 과학적으로 규명하고 있습니다. 이러한 연구는 도파민 신경회로의 기능적 특성을 이해하는 데 그치지 않고, 신경회로 기반의 행동 예측, 신경 장애 복구, 그리고 차세대 뇌-기계 인터페이스 개발 등 다양한 응용 가능성을 제시합니다. 궁극적으로, 도파민 신경회로의 동적 조절 메커니즘을 해명함으로써 뇌 질환 치료 및 인지 기능 향상에 기여하고자 합니다.