연구 분야 Research Topics
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1. 수의적인 호흡의 신경회로
Neural circuits for volitional modulation of breathing
잠을 자거나 마취에 들었을 때조차 우리는 숨을 멈추지 않습니다. 숨을 쉬는 것은, 태어난 순간부터 "숨을 거두는" 순간까지 반복되는 자동화된 리듬(automatic rhythm)이자 기초적인 생명 유지 기능입니다. 그런데 흥미롭게도, 우리는 생각하는 것만으로 호흡의 깊이를 조절하고, 들숨과 날숨의 길이를 조절하며, 심지어 숨을 참을 수도 있습니다.
뇌간(brainstem)에 초점을 맞춘 연구를 통해 자동화된 호흡의 조절 원리가 상세히 알려지고 있는 데 반해 자발적 호흡 조절을 매개하는 회로수준 원리는 거의 밝혀지지 않았습니다.
Even when we are asleep or under anesthesia, we never stop breathing. From the moment we are born until the moment we “take our last breath,” breathing persists as an automatic rhythm essential for sustaining life. Remarkably, however, we can also consciously alter the depth of our breathing, adjust the duration of inhalation and exhalation, and even hold our breath simply by intending to do so.
Although studies focusing on the brainstem have greatly advanced our understanding of the mechanisms that generate and regulate automatic breathing, the neural circuit mechanisms underlying voluntary control of breathing remain poorly understood.
* 행동과 호흡의 동기화 Coordination of breathing and behavior
기도 및 기관을 보호하기 위한 재채기(sneezing)와 기침(coughing). 음식과 액체를 섭취하기 위한 삼킴 및 일시적 호흡 정지(swallowing apnea). 폐포 기능 유지를 위해 5분마다 반복되는 한숨(sighing). 성대의 떨림과 날숨을 동기화 시키는 발성(vocalization). 호흡 패턴은 이렇듯 다양한 반사작용 또는 자발적 행동들과 밀접하게 동기화 됩니다. 행동과 호흡 패턴을 동기화하는 신경회로 원리는 비교적 최근에서야 밝혀지기 시작했으며, 아직 규명되지 않은 다양한 분야들이 남아있습니다.
Sneezing and coughing protect the airways, while breathing must be briefly suspended during the swallowing of food and liquids. Sighs recur approximately every five minutes to help maintain normal alveolar function, and vocalization requires the precise coordination of exhalation with vibration of the vocal cords. To carry out these diverse reflexive and voluntary behaviors, the breathing pattern must be coordinated with the sequence of behaviors. The neural circuit mechanisms that coordinate breathing with behavior have only recently begun to be uncovered, and many fundamental questions remain unanswered.
2. 정서질환의 생리학 Physiology of affective disorders
척추동물의 두뇌와 신체는 분리된 기능 단위가 아니라, 긴밀하게 연결된 하나의 유기적 시스템을 구성합니다. 생존에 유리하거나 위협적인 상황에서 겪게 되는 '정서적 경험(emotional experience)'들은 주관적인 감정(feeling)에 그치지 않고, 다양한 신체 기능과 생리적 상태의 변화를 수반합니다. 이러한 체-뇌 상호작용의 조절 이상은 불안장애와 공황장애, 우울증, 조현병을 비롯한 다양한 신경정신질환의 증상들과 밀접하게 연관되어 있습니다.
The brain and body of vertebrates are not separate functional units, but together form a single, tightly interconnected system. Emotional experiences that arise in situations beneficial or threatening to survival extend beyond subjective feelings and are accompanied by changes in a wide range of bodily functions and physiological states. Dysregulation of these body–brain interactions is closely associated with the symptoms of various neuropsychiatric disorders, including anxiety and panic disorders, depression, and schizophrenia.
호흡 회로 연구에 전문화된 우리 실험실에서 주목하는 질환은 공황장애(panic disorder)입니다. 과호흡 증상은 호흡성 공황장애 환자들의 발작에서 흔히 관찰되며, 이러한 환자들이 이산화탄소 흡입이나 혈액의 산-염기 균형 변화에 훨씬 민감하게 반응한다는 사실이 널리 알려져 있습니다. 우리는 공황장애의 유전적, 환경적 위험인자들이 호흡률을 조절하는 신경회로를 어떻게 교란하는지 규명함으로써, 공황 발작의 발생과 비정상적인 화학감각 민감성의 기저 원리를 이해하려 합니다.
Our laboratory, which specializes in breathing research, has a particular interest in panic disorder. Hyperventilation is commonly observed during panic attacks of patients with respiratory panic disorder, and these patients are known to exhibit heightened sensitivity to carbon dioxide inhalation and changes in acid–base balance of blood. By investigating how genetic and environmental risk factors for panic disorder disrupt the brain circuits that regulate breathing, we aim to uncover the neural circuit mechanisms underlying the onset of panic attacks and heightened chemosensitivity.
협업 연구 분야 Collaborative Research Topics
1. 마이크로바이옴과 호흡-뇌 상호작용
Microbiome-breathing-brain axis
마이크로바이옴 연구에 전문화 된 학과 내 여러 교수님들과의 협업을 통해, 체내 세균 군집이 호흡에 미치는 영향과 이러한 과정이 두뇌의 기능에 미치는 영향을 규명하려 합니다. Through collaborations with faculty members in our department who specialize in microbiome research, we aim to investigate how bodily microbial communities influence breathing and how these effects, in turn, shape brain function.
2. 호흡 회로의 진화
Evolution of respiratory neural circuits
공기를 들이쉬는 폐호흡은 하룻밤에 완성된 기능이 아닙니다. 아가미에 의존하는 수중 호흡에서부터, 아가미와 폐를 모두 활용하는 폐어와 양서류의 호흡, 그리고 공기로부터 훨씬 많은 산소를 획득하는 육상동물들의 폐호흡에 이르기까지, 수 억 년에 걸친 진화 과정에서 분화한 여러 호흡 전략이 오늘 날까지 살아남은 여러 척추동물의 계통에 남아 있습니다. 생태학 연구에 특화된 미국 연구진과 협업을 통해 이러한 종들의 호흡 신경회로를 분석하고, 이로부터 호흡을 제어하는 신경회로가 진화해 온 과정을 추적하려 합니다.
The ability to breathe air with lungs did not emerge overnight. Over the course of vertebrate evolution, respiratory strategies diversified across different descendant lineages. This evolutionary history remains visible today—from aquatic vertebrates that rely primarily on gills, to lungfish and amphibians capable of using both gills and lungs, and ultimately to terrestrial vertebrates that obtain far greater amounts of oxygen from the air. In collaboration with U.S.-based researchers specializing in ecology, we aim to compare the respiratory neural circuits of species with distinct modes of breathing and thereby trace how these circuits have emerged through evolutionary history.
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