[📪정보] 실시간 뇌 회로 맵핑

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실시간으로 뇌 회로를 매핑하는 방법

2020 년 10 월 15 일 Caltech

뇌에 대한 이해를 높이기 위해 신경 과학자들은 감각 정보 처리 또는 새로운 기억 형성과 같은 작업을 담당하는 신경 회로를 매우 자세하게 매핑 할 수 있어야합니다. 이제 Caltech 연구팀은 특정 뇌 회로 내에서 수천에서 수백만 개의 뉴런의 활동을 실시간으로 관찰 할 수있는 새로운 접근 방식을 설명했습니다.  저자들은 10 월 14 일 뉴런 저널에 게재 된“Perspective”기사에서 논의 된이 새로운 방법  은 현재의 어떤 접근 방식보다 훨씬 더 큰 잠재력을 가지고 있다고 말합니다.

“통합 신경 광자 (integrated neurophotonics)”라고 불리는이 새로운 기술은 형광 분자 리포터 및 광 유전 작동기와 결합하여 뇌 내부 깊이에 이식 할 수있는 작은 광학 마이크로 칩 배열을 사용하여 각각 뉴런을 광학적으로 모니터링하고 활동을 제어합니다. 어레이는 마이크로 스케일의 광선을 방출하여 주변의 유전자 변형 뉴런을 자극하고 동시에 이러한 세포의 활동을 기록하여 기능을 드러냅니다. 작업이 현재 동물 모델에서만 이루어집니다 있지만, 인간의 뇌 내부의 해명 회로 깊은 하나 개의 일에 도움을 말한다 수  마이클 룩스 , 주요 논문의 연구자 및 캘리포니아 공과 대학의 프랭크 J. Roshek 물리학 교수, 응용 물리 및 생물은.

Roukes는“심도의 고밀도 녹음이 핵심입니다. "우리는 기록 할 수 없습니다  모든  언제든지 곧 뇌의 활동을. 그러나 특정 뇌 영역 내에서 중요한 계산 구조 중 일부에 집중할 수 있습니까? 그것이 우리의 동기입니다.”

최근 몇 년 동안 신경 과학자들은 설치류를 포함한 모델 동물에서 훨씬 더 큰 뉴런 그룹을 연구하기 위해 광 유전학을 사용하기 시작했습니다. 광 유전학에서 뉴런은 특정 파장의 빛에 의해 여기 될 때 녹색 형광 단백질 (GFP)과 같은 특정 단백질 마커를 발현하도록 유 전적으로 조작됩니다. GFP의 존재는 세포가 형광등 아래에서 녹색으로 빛나게하여 신경 활동의 시각적 지표를 제공합니다. 센서 분자를 이러한 마커와 융합함으로써 연구자들은이 형광을 조절하여 지역 활동을 신호하는 뉴런을 조작 할 수 있습니다. 광 유전학은 뇌의 모든 전기적 활동으로 인해 평균적으로 하나의 뉴런 만 안정적으로 측정 할 수있는 뉴런의 전기적 활동을 측정하기 위해 이식 된 전극에 의존하는 신경 과학 연구에 내재 된 몇 가지 문제를 해결합니다.

그러나 현재의 뇌에 대한 광 유전학 연구는 상당한 물리적 한계에 의해 제약을 받고 있다고 Caltech의 수석 연구 과학자이자이 논문의 수석 저자 인 Laurent Moreaux는 말합니다. 뇌 조직은 빛을 산란시킵니다. 즉, 뇌 외부에서 들어오는 빛은 그 안에서 짧은 거리 만 이동할 수 있습니다. 이 때문에 뇌 표면에서 약 2mm 미만의 영역 만 광학적으로 검사 할 수 있습니다. 이것이 가장 잘 연구 된 뇌 회로가 일반적으로 마우스의 감각 피질과 같은 감각 정보를 전달하는 단순한 회로 인 이유입니다. 표면 가까이에 있습니다. 요컨대, 현재 광 유전학 방법은 고차원인지 또는 학습 과정과 관련된 회로를 포함하여 뇌 깊숙한 곳에 위치한 회로에 대한 통찰력을 쉽게 제공 할 수 없습니다.

현재의 광학 기술은 뇌 표면 근처에서만 뉴런 활동을 이미지화 할 수 있지만 통합 된 신경 광자 (neurophotonics)는 뇌 깊숙이 묻혀있는 회로를 잠금 해제 할 수 있습니다.

크레딧 : Roukes et. al.

Roukes와 동료들은 통합 신경 광자 기술이 문제를 우회한다고 말합니다. 이 기술에서 완전한 이미징 시스템의 마이크로 스케일 요소는 뇌 깊숙한 곳, 해마 (기억 형성에 관여 함), 선조체 (인지를 제어 함) 및 기타 기본 구조와 같은 영역에 위치한 복잡한 신경 회로 근처에 이식됩니다. 전례없는 해상도로. 현재 뇌 전체를 이미지화하는 데 사용되는 스캐닝 기술인 기능적 자기 공명 영상 (fMRI)의 유사한 기술을 고려해보십시오. fMRI 스캔에서 각 복셀 또는 3 차원 픽셀은 일반적으로 부피가 약 입방 밀리미터이며 대략 100,000 개의 뉴런을 포함합니다. 따라서 각 복셀  은이 100,000 개 세포 모두 의 평균 활동을 나타냅니다  .

"통합  신경 광자 학의 가장 중요한 목표는 100,000 개의 컬렉션에 있는 각 뉴런이 실시간으로 수행하는 작업 을 기록하는 것  입니다."라고 Roukes는 말합니다.

Roukes의 장기적인 목표는 통합 신경 광자 (neurophotonics)의 고급 기기를 보급하여이 새로운 기술로 고급 신경 과학 연구를 개척 할 다중 기관 협업을 가능하게하는 것입니다. 이전에 그는 이러한 유형의 신경 기술 개발은 대부분 단일 실험실 또는 연구자가 이끄는 연구에 의존했다고 말합니다. 2011 년부터 Roukes는 5 명의 다른 과학자 및 백악관 과학 기술 정책 사무소와 협력하여 궁극적으로 오바마 행정부에서 시작된 미국 두뇌 이니셔티브 (혁신적인 신경 기술 발전을 통한 두뇌 연구)를 시작했습니다. 그들의 비전은 신경 과학 연구에 물리 과학에서 볼 수있는 대규모 파트너십을 가져 오는 것이 었습니다. 중력파  를 찾기위한 LIGO-Virgo 협업 . 이제 Roukes는 통합 신경 광자 기술이 이러한 기기 구축 팀워크의 문을 열어줍니다.

"[우리와 같은 접근 방식을위한] 많은 빌딩 블록이 10 년 이상 존재 해 왔습니다."라고 그는 말합니다. "하지만 최근까지도 신경 과학을위한 이러한 강력한 새 도구를 실현하기 위해 이들을 모두 결합 할 수있는 비전, 의지 및 자금이 없었습니다."

이 연구를 설명하는 논문의 제목은“ 통합 신경 광 자학 : 뇌 회로 활동의 조밀 한 체적 조사를 향하여-심도 및 실시간 ”입니다. 추가 Caltech 공동 저자로는 전 Kavli Nanoscience Institute Prize Postdoctoral Fellow 인 Wesley D. Sacher와 전 Caltech 박사후 연구원 인 Nicole J. Kubat가 있습니다. 14 개 추가 기관의 협력자들이 참여한이 작업은 국립 보건원 뇌 이니셔티브 보조금, 국방 고급 연구 프로젝트 기관, 국립 과학 재단 및 Kavli 재단에서 자금을 지원했습니다.