8,600여 명 아동의 멀티모달 뇌영상·유전체·행동데이터 통합 분석으로 밝혀낸 신경발달의 유전적 청사진
A Genetic Blueprint of Neurodevelopment Revealed Through Integrated Multimodal Brain Imaging, Genomic, and Behavioral Data from Over 8,600 Children
[연구필요성]
토토사이트 심리학과 차지욱 교수와 성균관대학교/삼성서울병원 주윤정 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 최근호에 발표했다. 이는 아동기라는 결정적인 신경발달 시기의 유전적 영향을 포괄적으로 규명한 대규모 멀티모달 데이터 기반 첫 연구이다.
[연구성과/기대효과]
기존 뇌발달 유전연구는 성인 대상의 단일 뇌영상 모달리티나 제한된 유전체 데이터만을 단편적으로 사용해왔다. 본 연구는7가지 통합 뇌영상 지표(구조MRI, 확산MRI의streamline count와FA, 안정상태fMRI, N-back·MID·SST 과제기반fMRI), 33가지 복합형질의 다유전 점수, 266개 행동·심리형질을 통합하여 분석했다.
특히 고차원 데이터에 최적화된SGCCA(Sparse Generalized Canonical Correlation Analysis) 기법을 적용하여 생물학적으로 타당한 핵심 변수만을 선택하고, 영역특이적(region-specific) 패턴 포착함으로서 다차원적 연관성을 체계적으로 분석했다. 이를 통해 인지능력 관련PGS는 회백질 용적·피질 활성과 양의 상관, ADHD·우울·신경증 등 정신병리PGS는 음의 상관을 일관되게 보이는 등, 유전적 위험이 신경발달 경로를 조절하는 메커니즘을 체계적으로 규명했다.
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연구 개요
□ 세계 최대 규모 아동 뇌발달 연구의 새 지평
토토사이트 심리학과 차지욱 교수와 성균관대학교/삼성서울병원 주윤정 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 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 연구는7가지 통합 뇌영상 지표(구조MRI, 확산MRI의streamline count와FA, 안정상태fMRI, N-back·MID·SST 과제기반fMRI), 33가지 복합형질의 다유전 점수, 266개 행동·심리형질을 통합하여 분석했다.
특히 고차원 데이터에 최적화된SGCCA(Sparse Generalized Canonical Correlation Analysis) 기법을 적용하여 생물학적으로 타당한 핵심 변수만을 선택하고, 영역특이적(region-specific) 패턴 포착함으로서 다차원적 연관성을 체계적으로 분석했다. 이를 통해 인지능력 관련PGS는 회백질 용적·피질 활성과 양의 상관, ADHD·우울·신경증 등 정신병리PGS는 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 중1,237개가 유의한 유전율(19-27%)을 보였으며, 구조MRI 지표들의 평균은63.2%로 가장 높은 유전성을, 확산MRI (FA: 33.9%, Streamline count: 14.1%) 지표들이 뒤이으며 뚜렷한 유전성을 보여주었다. 성인의 뇌와 반대로, 아동에서는 회백질(평균23%)이 백질(19-22%)보다 높은 유전율을 보이며, 아동기에 회백질의 급격한 발달이 유전적으로 더 강하게 조율됨을 시사했다.
□ 뇌구조vs 뇌기능: 차별적 유전-환경 민감성 발견
더불어 2-block (PGS-뇌)및3-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.
저자 멘트
[연구의 과학적 의의]
· "본 연구는 아동기 뇌발달이 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 조기중재의 최적 시점과 방법을 결정하는 데 중요한 시사점을 제공합니다."
· "이번 연구는 아동기 뇌 발달과 정신건강을 잇는 유전적 네트워크를 다양한 최신 계산기법을 적용함으로서 정량적으로 제시했습니다. 향후 조기 개입 타겟과 맞춤형 정신의학 전략 수립에 중요한 기초가 될 것입니다."
· "희소정준상관분석(SGCCA)이라는 첨단 다변량 기법을 통해 기존 연구가 놓쳤던 모달리티 특이적 유전 효과를 포착할 수 있었습니다. 앞으로 종단연구를 통해 이러한 유전-뇌-행동 연결고리가 사춘기를 거치며 어떻게 변화하는지 추적한다면, 정신질환의 발병 메커니즘을 이해하고 고위험군을 조기 선별하는 정밀의학 전략을 수립할 수 있을 것입니다."
[학제간 융합의 성과]
· 연구팀은 "이 연구는 신경과학, 정신의학, 유전체학, 그리고 발달심리학을 아우르는 진정한 학제간 융합연구입니다. 특히8천명 이상의 아동을 대상으로7개 뇌영상 모달리티와266개 인지·심리 표현형, 33개 다유전점수를 통합 분석한 규모와 깊이는 전례가 없습니다."고 강조했다.
정책 입안자들에게 보내는 메시지
"한국은 지금, 미래 세대의 뇌를 이해할 골든타임을 놓치고 있습니다"
이 연구는 미국ABCD Study의8,620명 아동 데이터를 기반으로 합니다. 한국은? 전무합니다.
왜 시급한가?
1. 성장 동력의 근원은 뇌입니다
한국 아동·청소년의 정신건강 위기가 심화되고 있습니다. OECD 최저 출산율 국가로서, 우리 아이들의 뇌 발달을 이해하지 못하면 미래 리더의 웰빙과 국가 경쟁력은 보장할 수 없습니다. 본 연구가 밝힌 조기 개입의 최적 시점을 파악하려면, 한국 아동 특이적인 데이터 수집이 절실하게 필요합니다.
2. 데이터 주권과 과학 자립
미국·유럽은 이미 본 논문에서 사용된 Adolescent Brain Cognitive Development (ABCD) Study 이외에HEALthy Brain and Child Development (HBCD) Study, Avon Longitudinal Study of Parents and Children (ALSPAC) 를 비롯하여 수십만 명 규모의 뇌 발달 코호트를 구축했습니다. 한국 연구자들은 외국 아동들 데이터로 논문을 쓰고, 한국 아이들의 뇌는'블랙박스'로 남아있습니다. 연구의 근간이 될 데이터가 없으면, 한국 특이적 유전-환경 상호작용을 절대 밝힐 수 없습니다.
3. AI 시대, 데이터산업의 전략적 가치
본 뇌영상-유전체의 정밀 연구를 위해서 사용된 SGCCA, 머신러닝 예측 모델 등은 수십수백명의 데이터가 아니라, 수만명을 아우르는 대규모 데이터가 있어야 작동합니다.
· 대규모 뇌인지발달 데이터× AI = 한국 과학의 도약
· 정밀의학, 개인화 교육, 정신건강 조기 예측의 핵심 인프라입니다
구체적 요구사항
"한국형ABCD Study를 지금 시작하십시오"
· 규모: 최소10,000명 아동·청소년 코호트
· 범위: 유전체, 멀티모달 뇌영상, 인지·행동·환경 데이터 통합
· 기간: 종단 추적 연구(최소10년)
· 투자: 연간500억 원× 10년= 한국 미래 세대를 위한 최소한의 투자
이것은 비용이 아니라, 투자입니다.
· 미국ABCD Study 투자 대비 경제적 파급효과: 1:10 이상
· 정신질환 조기 개입으로 절감되는 사회적 비용: 연간 수조 원
· 한국 신경과학의 글로벌 리더십 확보: 무한대
"지금 움직이지 않으면, 10년 후에는 돌이킬 수 없습니다"
· 뇌 발달의 결정적 시기(critical period)는 기다려주지 않습니다
· 지금의9세 아동이19세가 되었을 때, 우리는 그들의 뇌 발달을 추적할 수 없습니다
· 데이터 격차는 과학 격차, 과학 격차는 국가 경쟁력 격차입니다
인공지능과 만난 뇌인지발달 데이터산업은 한국 과학을 세계 최고 수준으로 끌어올릴 것입니다. 하지만 그 전제는 단 하나, "데이터"입니다.
지금 결단하십시오. 한국 아동·청소년의 뇌 발달 데이터 구축은 선택이 아닌, 생존의 문제입니다.
[연구결과]
Polygenic architecture of brain structure and function, behaviors, and psychopathologies in children
Joo, Y.Y., Kim, B.-G., Kim, G., et al.
(Nature Communications (IF: 16.6, 2024) https://doi.org/10.1038/s41467-025-63312-6
데이터: ABCD(Adolescent Brain Cognitive Development) Study 8,620명(9-10세 아동)
□ 용어설명
• 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