톱10 하이라이트

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도파민 기반 강화 학습의 결과 분포 코드

Nature 577 (2020년1월30일)

보상 예측 오류는 뇌의 학습 과정 중 하나이다. 이러한 과정을 통해 사건의 예상 결과와 실제 결과의 차이를 설명할 수 있다. 신경전달물질인 도파민은 이러한 형태의 학습과 밀접하게 관련되어 있다. 도파민 뉴런은 결과가 예상보다 좋을 경우 활성이 증가하는 경향이 있으나, 결과가 예상보다 나쁠 경우 활성이 감소한다. 따라서, 뇌가 평균 결과를 평가하여 이를 기반으로 미래 사건의 결과를 예측한다고 여겨져 왔다. 이번 호에서 Will Dabney와 그의 동료들은 실제 이러한 학습 과정은 이보다 더 복잡할 것이라고 주장하였다. 인공지능의 분포 강화 학습으로부터 영감을 얻은 연구진들은 마우스 중뇌의 신경 기록을 분석한 결과, 뇌는 미래를 단일 평균이 아닌 확률 분포를 이용하여 여러 가능한 미래 보상을 동시에 고려한다는 사실을 발견하였다. 표지 이미지: DeepMind Technologies Ltd.

Article doi: 10.1038/s41586-019-1924-6

2

수십 킬로미터가 넘는 광섬유를 이용한 두 개의 양자 메모리의 얽힘

Nature 578 (2020년2월13일)

장거리에 걸친 원격 양자 메모리의 얽힘(Entanglement)에 의존하는 양자 인터넷은 다양한 분야에서 혁신적인 응용을 가능하게 한다. 양자 통신의 엄청난 발전에도 불구하고, 두 노드(Nodes) 사이에서 달성되는 최대 물리적 분리는 1.3km이며, 더 먼 거리를 달성하기 위한 과제가 남아 있다. Xiao-Hui Bao와 그의 동료들은 수십 킬로미터 이상의 광섬유를 통해 두 개의 양자 메모리의 얽힘을 입증하고, 밝은 원자-광자 얽힘을 생성하고 원자 파장을 통신 대역으로 이동(양자 주파수 변환을 활용)하기 위하여 공동 강화(Cavity enhancement)를 활용하였다. 도시 규모의 섬유를 이용한 이 연구 결과는 많은 노드와 훨씬 더 먼 거리의 원자 얽힘을 확립할 수 있는 방법을 제공한다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-1976-7

3

흡연과 사람 기관지 상피에서의 체세포 돌연변이

Nature 578 (2020년2월13일)

흡연은 폐 조직에서 발암물질에 의한 돌연변이를 일으켜 암을 유발하는 돌연변이의 발생 위험을 높인다. 역학 조사에 따르면 금연은 유익한 효과가 누적된다고 알려져 있다. 이 연구에서 Peter Campbell과 그의 동료들은 흡연자, 이전에 흡연 경험이 있는 사람 그리고 흡연하지 않은 사람의 정상 기관지 상피에서 632개의 단일 세포 콜로니의 돌연변이 상태를 조사하였다. 연구 결과 흡연은 유전적 이질성(Heterogeneity)를 증가시켰으며, 알려진 돌연변이 및 새로운 돌연변이 발생에 단편적으로 관여하였다. 현재 흡연자의 세포에서는 돌연변이된 암 유발인자가 풍부한 반면, 이전에 흡연 경험이 있는 사람의 세포에서는 거의 정상적이었고, 더 긴 텔로미어를 가지는 것으로 확인되었으며, 이는 금연의 이점이 거의 정상 세포를 갖는 기관지 상피의 보충(Replenishment)과 관련되어 있음을 시사한다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-1961-1

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-00165-7

4

Type III CRISPR 면역을 파괴하는 항-CRISPR 바이러스 고리 핵산가수분해효소

Nature 577 (2020년1월23일)

박테리아 및 고세균(Archaea)의 Type III CRISPR-Cas 시스템은 효과적인 면역에 필요한 바이러스 RNA를 감지하는 신호 분자 Cyclic oligoadenylate (cOA)를 합성한다. Malcolm White와 그의 동료들은 cOA를 빠르게 분해하는 새로운 바이러스 항-CRISPR (Acr) 효소군을 발표하였다. 그들은 Arhaeon Sulfolobus islandicus와 협력하여 Acr 효소를 연상시키는 항 바이러스 방어 특성을 가진 특성화되지 않은 ORF를 최초로 발견하였다. 또한 생화학적 및 구조적 분석을 통해 효소 (AcrIII-1)가 cA4에 특이적으로 결합하기 위해 새로운 접힘 구조를 형성하고, 보존된 활성 부위에 의해 신호 전달 분자를 신속하게 절단한다는 사실을 보여주었다. 박테리아와 고세균에서 이 효소들이 광범위하게 존재한다는 사실을 통해 이 효소들이 바이러스의 공격으로부터 보호하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.

Article doi: 10.1038/s41586-019-1909-5

5

장 생리를 조절하는 미생물에 의한 신경 프로그래밍

Nature 578 (2020년2월13일)

장 생리학은 장 뉴런뿐만 아니라 공생 미생물과 같은 환경적 요인에 의해 결정된다. 이 논문에서 Vassilis Pachnis와 그의 공동 저자는 장내 미생물이 장 뉴런에 전달하는 신호를 연구하였다. 그들은 바이오센서 AHR이 장 내 미생물 집락 형성(Colonization)에 대한 반응으로 특이적으로 장 뉴런을 유도하고, 칼륨 채널 Kir2.2의 활성화에 관여하는 메커니즘에 의해 장의 연동운동이 조절된다는 사실을 확인하였다. 저자들은 장 신경계에서 AHR 신호 전달에 초점을 맞춘 약리학적 또는 식이 중재가 장 연동 운동의 조절 이상과 관련된 조건의 조절을 위한 전략을 제공할 수 있을 것이라고 발표하였다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-1975-8

6

미국의 주 간(Cross-state) 대기 오염과 관련된 조기 사망

Nature 578 (2020년2월13일)

대기질은 지역 및 원거리 오염원의 영향을 받는다. Steven Barrett과 그의 동료들이 발표한 논문에서는 2005년부터 2018년까지 미국과 인접한 지역으로부터의 대기 오염 교환이 조기 사망률에 미치는 영향을 평가하였다. 저자들은 평균적으로 주(State)에서의 배출로 인한 대기질 관련 조기 사망률의 약 절반이 해당 주 외부에서 발생한다는 것을 발견하였다. 또한 전력 생산 및 주거용 배출량과 같은 여러 배출 부문과 조기 사망률에 대한 화학 종(Chemical species) 및 시간에 따른 변화에 ​​대한 주(State) 간 기여도의 변화를 발표하였다. [Article, 261쪽].

Article doi: 10.1038/s41586-020-1983-8

7

원핵 생물-진핵 생물 인터페이스에서 고세균의 분리

Nature 577 (2020년1월23일)

식물에서 동물에 이르기까지 복잡한 형태 갖는 생명체를 진핵 생물이라고 한다: 진핵 생물의 세포는 내부막 내에 핵과 같은 내부 구획을 갖는 것이 특징이다. 그러나 여전히 진핵 생물의 기원은 알려져 있지 않다. 이번 주 호에서, Hiroyuki Imachi, Masaru K. Nobu와 그의 동료들은 초기 진핵 세포를 발생시킨 진화 경로를 밝히는데 도움이 될 수 있는 단일 세포 미생물에 대하여 발표하였다. 연구진은 처음으로 진핵 생물의 가장 가까운 조상으로 여겨지는 미생물군인 Asgard archaea군을 배양하여 분리하였다. 연구진은 이 고세균을 'Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum'으로 명명하였다. 이 세포의 성장속도는 매우 느려 14~25일마다 두 배씩 증식하였으며, 성장 시 미생물이 필요하다는 것을 발견하였다. 흥미롭게도, 이 미생물 중 일부는 표지 이미지에서처럼 외부 표면에 나뭇가지 형태의 돌기(Protrusions)를 가지고 있었다. 이러한 돌기를 이용하여 고대 고세균은 지나가는 박테리아를 붙잡을 수 있게 되었고, 그 후 박테리아는 고세균에 내재화되어 미토콘드리아와 같은 막 결합 성분으로 진화하여 복잡한 생명체의 기원이 되었을 것으로 보인다. 표지 이미지: Hiroyuki Imachi, Masaru K. Nobu & JAMSTEC

Article doi: 10.1038/s41586-019-1916-6

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-00039-y

8

하드웨어를 완벽하게 구현한 멤리스터 컨볼루션 신경망

Nature 577 (2020년1월30일)

컨볼루션 신경망(Convolutional neural networks)은 이미지 분석을 위한 가장 중요한 머신 러닝 모델 중 하나이다. 이 신경망은 현재 그래픽 처리 장치와 같은 기존의 컴퓨팅 하드웨어를 사용하여 구현되지만 맞춤형 하드웨어가 개발되면 성능과 전력 소비율이 상당히 향상될 것이다. 뇌에서 영감을 얻은 뉴로모픽 시스템(Neuromorphic systems)은 머신 러닝을 위한 유망한 후보 하드웨어 아키텍처(Architecture)로 부상하고 있지만 컨볼루션 신경망은 종종 그러한 시스템을 만드는 데 사용되는 멤리스터(Memristors, 장치 히스토리에 의존하는 전기 저항을 가진 구성 요소)로는 구현하기 어려운 것으로 판명되었다. Huaqiang Wu와 그의 동료들은 이미지를 인식하기 위한 5 계층 멤리스터 컨볼루션 신경망을 시연하였으며, 이는 소프트웨어와 유사한 인식 정확도를 나타낸 반면 기존 하드웨어보다 2배 이상의 높은 에너지 효율을 보였다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-1942-4

9

Valley edge modes를 갖춘 전기 펌핑 위상 레이저(Topological laser)

Nature 578 (2020년2월13일)

전기 구동 반도체 레이저는 가장 일반적인 유형의 레이저 중 하나이며 광섬유 통신에서 레이저 인쇄 및 바코드 리더에 이르기까지 일상 생활에서 널리 사용된다. 그러나 이 레이저의 성능은 제조 및 포장 과정에서 발생하는 손상 또는 결함과 같은 반도체 결함의 영향을 받는다. 이번 주 호에서 Qi Jie Wang, Yidong Chong, Baile Zhang과 그의 동료들은 양자 캐스케이드(Cascade) 레이저를 기반으로 한 테라 헤르츠 레이저(Terahertz laser)를 보여주었으며, 이를 통해 광의 위상적 특성을 이용하여 이러한 문제를 해결할 수 있을 것으로 보인다. 저자들은 두 개의 서로 다른 방향의 광결정 격자들 사이에 삼각형의 인터페이스를 만들어서(표지 이미지와 같이) 날카로운 모서리와 결함이 존재하더라도 테라 헤르츠 복사를 방출할 수 있는 위상 경계를 생성하였다. 레이저는 전기적으로 구동되므로 위상 시스템을 이용 가능한 응용 분야를 찾을 수 있는 길을 열 수 있을 것으로 보인다. 표지 이미지: Songdi Technology (Beijing) Co. Ltd.

Article doi: 10.1038/s41586-020-1981-x

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-00323-x

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살아있는 동물에서 조혈 줄기 세포 및 전구 세포의 이미징

Nature 578 (2020년2월13일)

조혈 줄기 세포(Haematopoietic stem cells, HSCs)의 고유 환경에서 이들 세포의 역학에 대한 연구는 정상 조건 하의 살아있는 동물에서 HSC 추적의 어려움으로 인해 제한되어왔다. Camargo와 그의 동료들은 가장 오랫동안 정지된 장기 HSC (LT-HSCs) Subset에 특이적인 표지(Labeling)를 가능하게 하여, 현재 유리체 내 영상화 접근법과 호환되는 마우스에서의 이중 유전자 전략을 발표하였다. 그들은 이 LT-HSCs의 Subset이 저산소 영역에 존재하지 않으며, 다 능성 전구 세포(Multipotent progenitor cells, MPPs)보다 내골에 더 가깝게 위치한다는 것을 발견하였다. 또한, 이들은 골수 미세 환경 내에서 이질성을 발견하였으며, LT-HSCs는 일반적으로 MPPs와 비교하여 제한된 운동성을 나타내지만, 일부 LT-HSCs는 이동성이 높아지고 공간적으로 제한된 영역 내에서 클론적으로 확장될 수 있으며, 이는 골 리모델링(Bone-remodelling) 활성에 의해 특징지어 진다. [Article, 278쪽]

Article doi: 10.1038/s41586-020-1971-z