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'편도체(amygdala)'는 인간의 뇌 영역중 공포, 불안, 성행동 등을 결정짓는 역할을 합니다.
한국기초과학지원연구원 자기공명연구부 조경구, 김형준 박사 연구팀은 자기공명영상(MRI)을 활용한 뇌 연구를 통해, 인간 뇌 '편도체 중심핵(CeA)'의 노화에 따른 변화가 남성과 여성에 있어 현격한 차이가 있음을 세계 최초로 규명했습니다.
연구팀은 121명의 피실험자 뇌를 MRI로 촬영해 편도체 영역을 분획하고, 분획된 편도체 영역을 3차원 영상으로 변환한 뒤 형태분석 및 부핵 분석을 수행했습니다.
이번 연구결과 편도체 중심핵은 내분비계와 밀접한 관련을 가지며 불안 등 감정을 조절하는 역할을 하고, 여성의 경우 나이가 들어감에 따라 이 부분이 급격하게 줄어드는 반면 남성은 변화가 적었습니다.
특히 여성의 불안장애 유병율이 남성보다 높지만, 폐경기 이후 여성의 유병율은 감소하는 것도 편도체 중심핵 변화와 밀접한 관련이 있을 것으로 추정했습니다.
기존 연구결과에서는 50세 폐경기를 전후한 여성의 경우 여성 호르몬이 급격히 줄어드는 반면 남성 호르몬의 변화는 적기 때문에 호르몬 변화에 의해 유병율이 감소한 것으로 보고 있습니다.
또 동물은 페로몬 정보를 처리하는 뇌 편도체 피질핵(CoA)이 암수 차이를 보였지만, 인간을 대상으로 한 실험에서 남녀차이가 있는지 밝혀지지 않았었는데, 이번 연구를 통해 인간의 경우 남성의 뇌 편도체 피질핵의 크기가 보다 큰 것을 밝혀냈습니다.
지금까지 인간은 페로몬을 처리하는 보습코계라는 기관이 별도로 있지 않은 것으로 알려졌기 때문에 뇌 피질핵 크기에서 남녀차이가 없는 것으로 보고되었습니다.
연구팀은 이러한 뇌 편도체 피질핵의 크기 차이로 인해 남성이 성적인 의미를 담은 시각 자극에 여성보다 민감하게 반응하는 것도 설명할 수 있는 것으로 보고 있습니다.
이번 연구는 향후 임상적 데이터가 축적되면 편도체와 관련된 신경정신질환의 보조진단도구로 쓰일 수 있을 것으로 보고 있습니다.
이번 연구는 조경구, 김형준 박사팀을 비롯, 경희대, 서울아산병원 등 3개 기관 협동연구로 추진됐습니다.
연구결과는 뇌영상 분야 권위지인 '뉴로이미지(NeuroImage)' 5월 1일자 표지논문으로 게재되었습니다.
(논문명 : Sex differences in amygdala subregions: Evidence from subregional shape analysis, IF=5.937)
'그림 b'의 붉은 화살표가 가리키는 영역이 여성의 나이가 들어감에 따라 빠른 쇠퇴를 보이는 편도체 중심핵이다.
용 어 설 명
부핵분석 :
편도체 표면의 특정 위치가 3개의 부핵(central nucleus, cortical nucleus, laterobasal nucleus)에 속할 확률에 근거하여 계산을 수행한 뒤, 각각의 부핵의 크기를 산출하는 방법이다.
편도체 중심핵(central nucleus) :
자율신경 반응 및 호르몬 분비를 조절한다. 불안한 심리상태와 관련을 가지는 것으로 알려져 있다.
편도체 피질핵(cortical nucleus) :
후각 자극을 처리하는 곳으로, 동물에서는 성행동 및 후각정보 처리에 관여하는 것으로 알려져 있다.
보습코계(vomeronasal organ) :
성행동에 주로 관여하는 것으로 알려진 제2의 후각기관이다. 많은 동물에 존재하지만, 대부분의 연구자들은 인간에게는 없는 것으로 생각한다.
 김형준 박사 |  조경구 박사 |
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한국기초과학지원연구원 물성과학연구부 허윤석 박사와 최봉길 박사 연구팀이 KAIST EEWS 대학원 최장욱 교수팀과 공동으로 엠보싱 공정을 도입한 3차원 다공성 그래핀 필름제작기술 개발에 세계 최초로 성공했습니다.
이에 따라 전기화학적 특성이 우수한 차세대 고성능 에너지 저장소자의 전극활물질 상용화를 앞당기는 토대가 마련됐습니다.
이번 연구성과는 폴리스티렌(PS) 입자를 이용한 엠보싱 공정으로, 표면적은 넓히면서 전기전도도를 높이고, 동시에 기계적 물성까지 우수한 세계 최초의 '3차원 다공성 그래핀 필름 제조 기술'입니다.
3차원 다공성 그래핀 필름의 주사전자현미경 (SEM) 이미지.
(b) 2 μm 기공크기를 갖는 다공성 그래핀 필름의 고배율 SEM 이미지.
연구팀은 그래핀 시트 사이에서 PS 입자의 삽입하고 다시 제거하는 과정을 통해 기공 구조를 만들어 그래핀의 재적층(restacking)을 효과적으로 제어했습니다.
연구팀은 PS 입자 제거 후에도 기공을 둘러싸고 있는 multi-layered 그래핀 층과 서로 연결된 기공구조에 의하여 전체 기공구조가 무너지지 않는 것을 확인했습니다.
또 sacrificial template을 이용한 PS 입자들의 크기에 따라 다공성 그래핀 필름의 기공크기를 100 nm에서 2μm까지 손쉽게 조절이 가능하단 사실도 발견했습니다.
엠보싱 기술을 이용한 3차원 다공성 그래핀 필름 제조공정
(b) 톨루엔 용매를 이용하여 PS 입자를 선택적으로 제거함으로써, 3차원 다공성 그래핀 필름제조.
(c) 고성능 에너지 저장소자로 응용하기 위하여, self limiting reaction방법을 이용한 전이금속 산화물(MnO2)이 증착된 다공성 그래핀 필름제조.
지금까지 2차원 그래핀 필름을 3차원 다공성 그래핀 필름으로 제작하기 위한 여러 시도들이 있었지만, 이번 연구처럼 기공 크기조절이 자유로운 3차원 다공성 그래핀 필름을 free standing film으로 제작할 수 있는 기술은 세계 최초입니다.
연구팀은 또 전기화학적, 기계적 특성이 우수한 다공성 그래핀 필름을 에너지 저장소자중의 하나인 슈퍼캐패시터의 전극물질로 활용할 소자제작 및 성능분석을 수행했습니다.
지금까지 그래핀의 반데르 발스 힘에 의한 응집현상으로 슈퍼캐패시터의 전극활물질로의 응용이 제한적이었습니다.
그러나 이번 연구를 통해 다공성 그래핀 필름 제조에 성공함으로써 재적층 현상을 제어하고 전기화학적 특성을 향상 시킬 수 있었습니다.
특히 제조된 다공성 그래핀 필름은 넓은 비표면적과 향상된 전하이동 특성을 나타냈고, 이를 통하여 고출력 에너지 저장전극 재료로 활용할 수 있게 됐습니다.
3차원 다공성 그래핀 필름을 이용한 비대칭 슈퍼캐패시터 소자의 구현.
(b) 본 연구에서 개발한 고출력, 고에너지 슈퍼캐패시터 소자의 성능을 보여주는 Ragon plot.
슈퍼캐패시터의 에너지 밀도(energy density)를 높이기 위하여 음극에 다공성 그래핀 필름을, 양극에 MnO2가 증착된 다공성 그래핀 필름을 이용하여 비대칭 슈퍼캐패시터 소자를 제작하였다. 본 연구에서 개발된 소자는 에너지 밀도(44 Wh/kg)와 파워밀도(25 kW/kg)를 크게 향상시켰으며, 높은 고출력(high-power)과 장 수명(Long-term cycle life)을 유지하였다.
슈퍼캐패시터의 성능을 결정하는 중요한 지표는 충전, 방전 속도와 사이클 수명입니다.
연구팀은 다양한 순환전위전류 속도 내에서 비정전용량을 측정해 3차원 다공성 그래핀 필름이 2차원 그래핀 적층시료에 비해 충전 및 방전 속도가 향상됨을 확인했습니다.
이는 순환전위전류 속도 내에서 전해질의 이온들이 충분히 빠르게 기공 속으로 전달되어 빠르게 그래핀 표면 위에서 전하들이 저장되었기 때문입니다.
또 일정 전류밀도 내에서 1000 cycles의 충전 및 방전 실험을 실시, 다공성 그래핀 필름이 1000 cycles 동안 비정전용량이 거의 감소되지 않고 안정적인 충전 및 방전 수명을 나타낸 것으로 확인됐습니다.
이번 연구는 향후 그래핀 기반의 다양한 전기화학적 소자의 전극물질에 적극 활용될 전망입니다.
이번 연구결과는 나노과학 분야 최고 권위지인 'ACS Nano 誌'의 4월 24일자 인터넷판에 게재되었습니다.
(논문명 : 3D Macroporous Graphene Frameworks for Supercapacitors with High Energy and Power Densities, IF=9.855)
용 어 설 명
3차원 다공성 그래핀 필름 제조를 위한 엠보싱 기술 :
엠보싱(Embossing) 가공은 천이나 직물 표면에 틀을 이용하여 열과 압력을 가해 올록볼록한 형태의 모양을 나타내는 과정이다.
본 연구에서는 그래핀 시트들을 폴리스티렌(polystyrene) 입자 틀에 둘러 싼 후, 폴리스티렌입자들을 제거함으로써 볼록한 형태의 그래핀 필름을 제조하였다.
슈퍼캐패시터 :
슈퍼캐패시터는 캐패시터(콘덴서)의 성능 중 특히 전기 용량의 성능을 중점적으로 강화한 것으로서, 충전지 형태로 사용하는 부품이다.
전자 회로에 사용되는 캐패시터는 전기적으로 충전지와 같은 기능을 가지며, 전력을 모아서 필요에 따라 방출한다.
슈퍼캐패시터는 전자 회로를 안정되게 동작시키기 위해서 반드시 필요한 부품중의 하나이며, 충·방전을 반복하는 환경에서 오랜 시간이 경과해도 안정적으로 동작하는 특징을 가지고 있다.
 허윤석 박사(선임연구원) |  최봉길 박사(박사후 연구원) |
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