(왼)성균관대학교 삼성융합의과학원 디지털헬스학과/삼성서울병원 미래의학연구원 주윤정 교수
(오)서울대학교 심리학과 차지욱 교수
DNA유전체가 어린이 뇌를 설계한다: 다유전적 구조가 뇌·행동·정신질환까지 잇는 다차원 지도 발표
8,600여 명 아동의 멀티모달 뇌영상·유전체·행동데이터 통합 분석으로 밝혀낸 신경발달의 유전적 청사진
※ 연구 개요
□ 세계 최대 규모 아동 뇌발달 연구의 새 지평
성균관대학교 삼성융합의과학원(SAIHST) 디지털헬스학과 주윤정 교수와 서울대학교 심리학과 차지욱 교수 공동연구팀 (김보겸 연구원, 김가경 연구원, 이은지 연구원) 은 8,620명의 아동을 대상으로 다양한 복합형질의 다유전점수(Polygenic Score, PGS)가 뇌 구조·기능과 인지·정신건강 특성을 연결하는 '유전-뇌-행동' 다차원 연관지도를 구축했다고 Nature Communications(IF=15.7) 최근 호에 발표했다. 이는 아동기라는 결정적인 신경발달 시기의 유전적 영향을 포괄적으로 규명한 대규모 멀티모달 데이터 기반 세계 최초의 연구이다.
□ 기존 연구의 한계를 극복한 혁신적 접근
기존 뇌발달 유전연구는 성인 대상의 단일 뇌영상 모달리티나 제한된 유전체 데이터만을 단편적으로 사용해왔다. 본 연구는 7가지 통합 뇌영상 지표(구조MRI, 확산MRI의 streamline count와 FA, 안정상태 fMRI, N-back·MID·SST 과제기반 fMRI), 33가지 복합형질의 다유전 점수, 266개 행동·심리형질을 통합하여 분석했다.
특히 고차원 데이터에 최적화된 SGCCA(Sparse Generalized Canonical Correlation Analysis) 기법을 적용하여 생물학적으로 타당한 핵심 변수만을 선택하고, 영역특이적(region-specific) 패턴 포착함으로서 다차원적 연관성을 체계적으로 분석했다. 이를 통해 인지능력 관련 PGS는 회백질 용적·피질 활성과 양의 상관, ADHD·우울·신경증 등 정신병리 PGS는 음의 상관을 일관되게 보이는 등, 유전적 위험이 신경발달 경로를 조절하는 메커니즘을 체계적으로 규명했다.
□ 아동 뇌의 발달단계 특이적 유전율 확인
아동의 뇌영상 데이터에서 추출한 7,963가지 뇌영상지표 중 1,237개가 유의한 유전율(19-27%)을 보였으며, 구조MRI 지표들의 평균은 63.2%로 가장 높은 유전성을, 확산MRI (FA: 33.9%, Streamline count: 14.1%) 지표들이 뒤이으며 뚜렷한 유전성을 보여주었다. 성인의 뇌와 반대로, 아동에서는 회백질(평균 23%)이 백질(19-22%)보다 높은 유전율을 보이며, 아동기에 회백질의 급격한 발달이 유전적으로 더 강하게 조율됨을 시사했다.
□ 뇌구조 vs 뇌기능: 차별적 유전-환경 민감성 발견
더불어 2-block (PGS-뇌)및 3-block (PGS-뇌-행동) SGCCA접근을 통해 뇌구조와 뇌기능의 차별적 유전-환경 민감성을 발견한 점이 흥미롭다. 뇌 구조적 지표(sMRI, dMRI)는 유전적 영향에 더 민감하고, 뇌 기능적 지표(rsfMRI, task-fMRI등)는 사회경제적 환경과 부모 정신병리 등 환경요인에 더 민감함을 세계 최초로 규명했다. 이는 조기 개입의 최적 시점과 방법을 결정하는 데 중요한 시사점을 제공한다.
이번 연구의 의의에 대해 주윤정 교수는 “아동기 뇌발달은 단순히 성인 뇌의 축소판이 아니라, 독특한 유전-환경 상호작용 패턴을 가진 고유한 발달단계임을 보여줍니다. 특히 뇌구조는 유전적 청사진을 따라 발달하는 반면, 뇌기능은 환경적 입력에 역동적으로 반응한다는 발견은 조기 중재의 최적 시점과 방법을 모색하는 데 중요한 시사점을 제공합니다”라고 강조했다. 이어 “이번 연구는 아동기 뇌 발달과 정신건강을 잇는 유전적 네트워크를 첨단 다변량 기법을 적용함으로써 기존 연구가 놓쳤던 모달리티 특이적 효과를 정량적으로 제시했습니다. 앞으로 대규모 종단 연구를 통해 이러한 유전-뇌-행동의 연결고리가 사춘기를 거치며 어떻게 변화하는지 추적한다면, 정신질환 발병 메커니즘을 이해하고 고위험군을 조기 선별하는 정밀의학 전략을 수립할 수 있을 것입니다."라고 덧붙였다. 연구팀은 또한 이번 성과는 신경과학, 정신의학, 유전체학, 발달심리학을 아우르는 융합 연구의 성과로, 8천 명 이상의 아동을 대상으로 7개 뇌영상 모달리티와 266개 인지·심리 표현형, 33개 다유전점수를 통합 분석한 전례 없는 규모와 깊이를 지닌다고 밝혔다.
※ 논문게재 정보
• 게재지: Nature Communications (2-year IF: 15.7, 5-year IF: 17.2, 2024)
• 논문명: Polygenic architecture of brain structure and function, behaviors, and psychopathologies in children
• 저자: Joo, Y.Y., Kim, B.-G., Kim, G., et al. (서울대학교, 성균관대학교)
• DOI: 10.1038/s41467-025-63312-6
• 데이터: ABCD(Adolescent Brain Cognitive Development) Study 8,620명 (9-10세 아동)
※ 용어 설명
• Streamline count: 확산MRI에서 추출한 뇌백질 섬유다발의 수로, 뇌영역 간 구조적 연결강도를 정량화
• Fractional Anisotropy(FA): 백질 내 물분자 확산의 방향성 지표로, 수초화(myelination) 및 백질 구조적 온전성을 반영
• SGCCA: 3개 이상의 고차원 데이터 블록 간 공변량을 찾는 다변량 기법으로, sparsity penalty를 통해 핵심 변수만 선택하여 과적합을 방지하고 생물학적 해석성을 높임
(왼)성균관대학교 삼성융합의과학원 디지털헬스학과/삼성서울병원 미래의학연구원 주윤정 교수
(오)서울대학교 심리학과 차지욱 교수
DNA유전체가 어린이 뇌를 설계한다: 다유전적 구조가 뇌·행동·정신질환까지 잇는 다차원 지도 발표
8,600여 명 아동의 멀티모달 뇌영상·유전체·행동데이터 통합 분석으로 밝혀낸 신경발달의 유전적 청사진
※ 연구 개요
□ 세계 최대 규모 아동 뇌발달 연구의 새 지평
성균관대학교 삼성융합의과학원(SAIHST) 디지털헬스학과 주윤정 교수와 서울대학교 심리학과 차지욱 교수 공동연구팀 (김보겸 연구원, 김가경 연구원, 이은지 연구원) 은 8,620명의 아동을 대상으로 다양한 복합형질의 다유전점수(Polygenic Score, PGS)가 뇌 구조·기능과 인지·정신건강 특성을 연결하는 '유전-뇌-행동' 다차원 연관지도를 구축했다고 Nature Communications(IF=15.7) 최근 호에 발표했다. 이는 아동기라는 결정적인 신경발달 시기의 유전적 영향을 포괄적으로 규명한 대규모 멀티모달 데이터 기반 세계 최초의 연구이다.
□ 기존 연구의 한계를 극복한 혁신적 접근
기존 뇌발달 유전연구는 성인 대상의 단일 뇌영상 모달리티나 제한된 유전체 데이터만을 단편적으로 사용해왔다. 본 연구는 7가지 통합 뇌영상 지표(구조MRI, 확산MRI의 streamline count와 FA, 안정상태 fMRI, N-back·MID·SST 과제기반 fMRI), 33가지 복합형질의 다유전 점수, 266개 행동·심리형질을 통합하여 분석했다.
특히 고차원 데이터에 최적화된 SGCCA(Sparse Generalized Canonical Correlation Analysis) 기법을 적용하여 생물학적으로 타당한 핵심 변수만을 선택하고, 영역특이적(region-specific) 패턴 포착함으로서 다차원적 연관성을 체계적으로 분석했다. 이를 통해 인지능력 관련 PGS는 회백질 용적·피질 활성과 양의 상관, ADHD·우울·신경증 등 정신병리 PGS는 음의 상관을 일관되게 보이는 등, 유전적 위험이 신경발달 경로를 조절하는 메커니즘을 체계적으로 규명했다.
□ 아동 뇌의 발달단계 특이적 유전율 확인
아동의 뇌영상 데이터에서 추출한 7,963가지 뇌영상지표 중 1,237개가 유의한 유전율(19-27%)을 보였으며, 구조MRI 지표들의 평균은 63.2%로 가장 높은 유전성을, 확산MRI (FA: 33.9%, Streamline count: 14.1%) 지표들이 뒤이으며 뚜렷한 유전성을 보여주었다. 성인의 뇌와 반대로, 아동에서는 회백질(평균 23%)이 백질(19-22%)보다 높은 유전율을 보이며, 아동기에 회백질의 급격한 발달이 유전적으로 더 강하게 조율됨을 시사했다.
□ 뇌구조 vs 뇌기능: 차별적 유전-환경 민감성 발견
더불어 2-block (PGS-뇌)및 3-block (PGS-뇌-행동) SGCCA접근을 통해 뇌구조와 뇌기능의 차별적 유전-환경 민감성을 발견한 점이 흥미롭다. 뇌 구조적 지표(sMRI, dMRI)는 유전적 영향에 더 민감하고, 뇌 기능적 지표(rsfMRI, task-fMRI등)는 사회경제적 환경과 부모 정신병리 등 환경요인에 더 민감함을 세계 최초로 규명했다. 이는 조기 개입의 최적 시점과 방법을 결정하는 데 중요한 시사점을 제공한다.
이번 연구의 의의에 대해 주윤정 교수는 “아동기 뇌발달은 단순히 성인 뇌의 축소판이 아니라, 독특한 유전-환경 상호작용 패턴을 가진 고유한 발달단계임을 보여줍니다. 특히 뇌구조는 유전적 청사진을 따라 발달하는 반면, 뇌기능은 환경적 입력에 역동적으로 반응한다는 발견은 조기 중재의 최적 시점과 방법을 모색하는 데 중요한 시사점을 제공합니다”라고 강조했다. 이어 “이번 연구는 아동기 뇌 발달과 정신건강을 잇는 유전적 네트워크를 첨단 다변량 기법을 적용함으로써 기존 연구가 놓쳤던 모달리티 특이적 효과를 정량적으로 제시했습니다. 앞으로 대규모 종단 연구를 통해 이러한 유전-뇌-행동의 연결고리가 사춘기를 거치며 어떻게 변화하는지 추적한다면, 정신질환 발병 메커니즘을 이해하고 고위험군을 조기 선별하는 정밀의학 전략을 수립할 수 있을 것입니다."라고 덧붙였다. 연구팀은 또한 이번 성과는 신경과학, 정신의학, 유전체학, 발달심리학을 아우르는 융합 연구의 성과로, 8천 명 이상의 아동을 대상으로 7개 뇌영상 모달리티와 266개 인지·심리 표현형, 33개 다유전점수를 통합 분석한 전례 없는 규모와 깊이를 지닌다고 밝혔다.
※ 논문게재 정보
• 게재지: Nature Communications (2-year IF: 15.7, 5-year IF: 17.2, 2024)
• 논문명: Polygenic architecture of brain structure and function, behaviors, and psychopathologies in children
• 저자: Joo, Y.Y., Kim, B.-G., Kim, G., et al. (서울대학교, 성균관대학교)
• DOI: 10.1038/s41467-025-63312-6
• 데이터: ABCD(Adolescent Brain Cognitive Development) Study 8,620명 (9-10세 아동)
※ 용어 설명
• Streamline count: 확산MRI에서 추출한 뇌백질 섬유다발의 수로, 뇌영역 간 구조적 연결강도를 정량화
• Fractional Anisotropy(FA): 백질 내 물분자 확산의 방향성 지표로, 수초화(myelination) 및 백질 구조적 온전성을 반영
• SGCCA: 3개 이상의 고차원 데이터 블록 간 공변량을 찾는 다변량 기법으로, sparsity penalty를 통해 핵심 변수만 선택하여 과적합을 방지하고 생물학적 해석성을 높임