뇌과학

개요

뇌연구는 뇌에 대한 신경생물학적, 인지과학적 이해를 바탕으로 뇌 작동의 근본원리를 파악하여 뇌질환 극복 및 공학적 응용에 활용하는 연구이다. 뇌연구는 뇌신경계, 뇌질환, 뇌공학의 연구 분야로 나눌 수 있다. 뇌기능 연구는 뇌신경계의 형성과 기능에 대한 신경생물학적 원리를 규명하고 고등인지기능에 관해 탐구하며, 뇌질환 연구는 뇌의 기능적 결함과 노화 등으로 인한 질환의 원인을 밝히고 진단･치료･예방에 관해 연구한다. 뇌공학은 뇌의 정보처리 구조와 작동 원리를 이해하고 공학적 접근법으로 뇌기능을 측정하거나, 뇌신경계의 기능을 조절하는 연구 분야이다.

뇌연구는 인간의 장기 중 가장 복잡한 뇌의 구조와 기능 이해를 위해 세포부터 인지･판단 등의 고위 뇌기능까지 다양한 단계에 대한 연구결과를 통합･분석하는 다층적 연구이다. 또한, 최근 뇌연구 분야는 정보통신기술･나노기술 등 타 분야와 융･복합 연구가 가장 활발히 일어나는 융합적 연구 분야이다. 뇌과학 기술은 현대사회의 급속한 고령화와 급변하는 사회변화로 인해 많이 발생하는 치매, 우울증 등 뇌질환 예방･치료(생명과학, 의학) 뿐 아니라 공학, 국방, 운송, 마케팅, 엔터테인먼트 등 다양한 산업 분야에 무한한 활용 가능성과 파급력을 가지고 있다.

해외동향

바이오 분야 글로벌 기술 패권의 경쟁이 심화하면서, 미국, 유럽 등 주요국들은 대형 뇌연구 프로젝트를 통해 정부 주도로 장기적 투자를 하고 있다. 세계 각국의 프로젝트가 중반에 접어들면서, 지원 전략을 강화하고, 글로벌 협력 및 타 분야 융합을 통한 혁신적 뇌연구 기술개발을 추진하고 있다. 미국은 BRAIN Initiative 1.0(2013∼2026, 약 6조 8,000억 원)에서 개발된 기술을 활용하기 위한 BRAIN Initiative 2.0에 착수(2019)했으며, 유럽은 슈퍼컴퓨터를 이용한 인간 뇌 시뮬레이션 및 ICT 융합 플랫폼을 개발하는 Human Brain Project(2013∼2024, 약 1조 5,000억 원)를 2027년까지 연장 추진하였다.

 

중국은 바이오경제 7대 과학기술에 뇌과학을 선정하고 China Brain Project를 추진 중이며 향후 미국 수준으로의 예산 확대 계획을 발표하였다. 각국은 다양한 뇌연구 분야의 글로벌 협력 연구 프로그램41)을 개발하여 뇌연구를 단독 연구 중심에서 글로벌 협업 연구로의 국제 협력을 강화하고 있다. 

<주요 국가별 뇌연구 지원정책 현황>

국내 현황

한국 뇌연구는 1998년 제정된 ‘뇌연구촉진법’ 및 ‘뇌연구 촉진법 시행령’ 등 법적 기반을 바탕으로 과학기술정보통신부, 교육부, 보건복지부, 산업통상자원부, 질병관리청의 부처가 공동으로 뇌연구촉진 기본계획을 수립하여 추진하고 있다. 기본계획에서는 주무부처인 과학기술정보통신부 총괄 아래 관계부처의 세부 계획을 종합･체계화하여 뇌과학 분야를 육성･발전시키기 위한 국가 차원의 비전과 정책 방향을 제시한다.

 

제3차 기본계획 1단계(2018∼2022) 종료 이후 디지털 대전환 등 新기술･新산업의 등장으로 뇌연구 기술의 혁신 트렌드를 반영하여 뇌연구 촉진 방향성 재정비가 필요하여, 차기 기본계획인 4차 뇌연구촉진 기본계획(2023∼2027) 수립을 추진 중이며, 향후 5년 주기로 단계별 수정/보완 계획을 발표할 예정이다.

<국내 뇌연구 관련 주요 정책 및 흐름>

투자현황

2022년 뇌연구 총 투자액은 1,820억 7,000만 원으로 2021년 정부 투자 실적 1,966억 1,000만 원 대비 145억 4,000만 원(7.4%) 감소하였다. 부처별로 과학기술정보통신부 79.2%(1,442억 1,000만 원), 산업통상자원부 4.0%(73억 1,200만 원), 보건복지부 3.5%(63억 7,000만 원), 교육부 0.9%(16억 9,000만 원), 다부처 사업 12.4%(224억 9,000만 원) 순이며, 과학기술정보통신부는 총괄부처로 가장 많은 투자를 하였다.

뇌연구의 연구개발 단계별 R&D 투자 현황은 대부분 기초연구단계에 집중하여 투자되고 있으나, 응용 및 개발연구단계의 비중이 점진적으로 증가하고 있다.

<2022년 뇌연구 부처별 투자비중>

<뇌연구 분야 연구개발 단계별 투자현황>

기술 수준

국내 뇌과학 기술 수준은 미국(최고기술 보유국) 대비 기술 수준 72.5%, 기술격차 3.3년으로 추격그룹에 해당한다(2020년 기준). 국내 기술 수준은 EU, 일본 대비 빠른 속도로 향상되고 있으나, 최근 한-중 기술 수준의 역전이 발생하였다.

<주요국 뇌연구 기술수준 추이>

논문, 특허, 인력 현황

국내 뇌연구 분야 SCI급 게재 논문 수는 2021년 총 1,163건으로 과학기술정보통신부 1,038건(출연(연) 301건 포함), 교육부 29건, 보건복지부 48건, 산업통상자원부 10건이다. 뇌연구 분야 상위 10% 이내 게재 논문 수는 총 263건으로, 과학기술정보통신부가 250건(출연(연) 118건 포함)으로 가장 많은 부분을 차지하였으며, 보건복지부 2건, 교육부 2건이다. IF10 이상 우수논문 게재 건수는 총 149건으로 2019년 92건, 2020년 105건에 이어 양적, 질적으로 꾸준한 성장을 하고 있다.

2021년 국내외 특허등록은 국내 출원 194건, 국내등록 100건으로 국내 출원 대비 등록률은 52% 수준이며, 국외 출원 76건, 국외 등록 14건으로 국외 출원 대비 등록률은 18% 수준으로 집계되었다.2021년 뇌연구 총 과제 참여 연구인력은 5,482명으로 2013년 참여 연구인력 2,306명에 비해 2배 이상 증가하였다. 우수인력 양성에서도, 박사 108명, 석사 127명을 배출하였고, 국제 인력 교류 면에서도 해외연구자 유치는 3명, 국내연구자 해외파견은 3명으로 집계되었다. 뇌연구 분야 국제학술회의 개최 건수도 2021년 25건으로 집계되었다.

뇌연구 자원 현황

과학기술정보통신부는 뇌연구 자원 활용을 위한 뇌은행 지정･운영 기준을 뇌연구촉진법 시행령으로 규정하고(2023.1.), 4개 뇌은행(한국뇌은행, 서울아산병원 뇌은행, 인제대학교 뇌은행, 가톨릭대학교 뇌은행)을 지정하였다. 국내 뇌자원 관리기관은 한국뇌연구원(뇌은행)과 질병관리청(치매 뇌은행)으로, 총 12개소 뇌은행 네트워크를 구축하여 운영 중이다. 연간 사후 뇌 구득 건수가 2015년 5례에서 2022년 80례로 15배 이상 증가하여, 2015년부터 2022년까지 누적 구득 건수는 총 403례이다. 뇌기능 희망자는 2015년24명에서 2022년 540명으로 20배 이상 증가하여 총 3,642명이 등록되어 있다.

뇌산업 현황

뇌산업 국내 시장은 2020년 약 4조 1,000억 원으로 연평균 6.7% 성장하고 있으며, 글로벌 시장의 약 2.2%를 차지한다. 뇌산업 분야 신규창업 수는 2019년까지 빠른 속도로 성장하였으나, 최근 창업 수는 연간 10∼20개 기업 내외로 감소 추세이다.42) 국내 535개 기업이 뇌질환치료제, 진단 키트 개발 등 뇌산업에 참여하고 있으며, 이중 의약품이 335개(62%), 진단/치료장비 91개(17%), 뇌작동 원리 활용 제품 77개(14%), 연구장비 26개(5%) 순으로 비중을 차지하고 있다. 538개 기업 중 상장사는 88개이며, 이 중 60개(68%)가 뇌질환치료제 개발사이다. 최근 주요 뇌산업 기업들이 활발한 해외시장 진출 및 국내 시판 허가 등을 통해 매출로 성과가 연결되고 있다.

<국내 뇌산업 분야 기업 현황>

발전 과제

글로벌 뇌연구 동향은 원리에서 실증으로, 가설에서 정보 중심으로 변화하고 있다. ICT, 인공지능, 빅데이터 등 융합기반 기술 혁신이 뇌과학에 접목되어 원리 중심의 연구에서 벗어나 본격적인 실증 연구로 도약하고 있고, 정밀 뇌연구의 본격화로 가설 중심에서 벗어나 빅데이터 기반의 정보 중심의 뇌과학으로 발전하고 있다. 연구발전의 빠른 속도만큼 뇌 관련 산업시장도 눈부신 발전을 하고 있다. 코로나 팬데믹 이후 의료와 헬스케어 분야의 디지털 대전환에 맞춰, 뇌산업 시장도 맞춤형 뇌질환 치료기기부터 집중력 향상 뇌파 자극기까지 다양한 디지털 기반 뇌융합 신산업 제품들이 뇌질환의 진단, 치료 예방 및 뇌기능 향상 분야에 걸쳐 엄청나게 발전하고 있다. 또한, 뇌기능 이해를 기반으로 한 뉴로모픽 칩 등 혁신적인 제품부터 뇌 작동원리에 기반한 Brain-inspired AI를 활용하여 교통, 통신, 교육과 문화, 건축, 감성, 디자인 등 다양한 산업 분야에 뇌과학이 활용되어 신시장이 창출되고 있다.

우리나라는 이러한 시대에 발맞춰 뇌연구의 혁신과 융합을 통해 핵심 원천 전략기술 개발과 기술의 실용화, 상용화로 기술 패권 경쟁이 심화하고 있는 글로벌 시장에서 뇌연구･산업의 선도국가로 나아가야 한다.R&D 분야에서는 디지털 기반 뇌융합 기술 확보를 통한 뇌연구 활성화를 위해 뇌연구 분야에 전략적 투자가 필요하며, 新 연구 패러다임 기반 뇌연구 초격차 전략기술을 개발해야 한다. 

뇌연구 분야 투자에서는 투자 체계를 정비하여 기초연구부터 전 주기적 R&D 지원, 사회･경제적 상황에 따른 전략적 지원으로 글로벌 뇌연구 선진국의 투자 변화에 발맞춰 나가야 한다. 新 연구 패러다임 기반 뇌연구 활성화를 위해서는 첨단 연구 방법론 적용 확대로 뇌연구 발전의 가속화와 국내 독자 기술개발을 추진해야 하며 글로벌 최초 원천연구를 통해 뇌연구의 미지영역을 탐구해야 한다. 또한, 디지털 기술 기반 뇌융합 기술 고도화로 전자약, 디지털 치료기기, 뇌영상, 신경망 모델 개발 등에서 초격차 전략기술 개발이 필요하다.