뇌 조직 구조 -Sciencetimes의 원리를 밝히다

현대 의학의 가장 중요한 목표 중 하나는 뇌가 어떻게 작동하는지 자세히 이해하는 것입니다. 그러나 뇌는 수십억 개의 밀접하게 혼합 된 뉴런으로 구성되어있어 시각화하고 매핑하기가 매우 어렵습니다.

뇌의 구조와 조직을 충분히 이해한다면 장기 난치성 뇌 질환 치료 경로 발굴 등 뇌 과학의 새로운 장을 열 수있을 것으로 기대됩니다.

미국 해양 생물학 연구소 (MBL)가 이끄는 5 개 연구 기관으로 구성된 다 학제 연구팀은 C. elegans를 표적으로 삼고 있습니다. 처음으로 통합 개발 경로가 밝혀져 24 일 ‘네이처’저널에 게재됐다.

이 논문의 선임 저자 인 예일 대학의 다니엘 콜론-라모스 교수는 “신경망은 벌레에서 인간에 이르기까지 다양한 유형의 뇌에서 발견되는 조직 수준의 조직”이라고 말했다. 설명했다.

“그러나 신경망은 수많은 국수 가닥이 얽혀있는 스파게티와 같아서 그 구조와 기능을 이해하기 어렵습니다.” 수백 개의 뉴런이 서로 겹치고 서로 접촉하며 뇌의 다른 부분을 통해 혼합되어 수천 가지 선택을합니다.

Colon-Ramos 교수는 “이 논문에서는 이해할 수있는 방식으로 신경망 구성에 대한 설명도 추가했습니다”라고 말했습니다.

선충 선충의 뉴로 필 연구

이 연구에서 연구팀은 아주 작은 선충의 중앙 처리 장치 역할을하는 181 개의 뉴런 묶음 인 신경 고리 신경 세포에 초점을 맞추 었습니다.

그리고 네트워크 분석과 이미징 전략을 혁신적으로 결합하여 신경 루프가 4 개의 레이어 또는 계층으로 구성된다는 사실을 발견했습니다. 이 레이어에는 감각 정보 및 움직이는 동작을 처리하기위한 별도의 영역이 포함되어 있습니다.

연구팀은 선충의 감각 기관과 근육 사분면을 관련 층에 매핑했습니다. 함께, 그들은 여러 층에 걸쳐 정보를 통합하고 그 주위에 일종의 ‘케이지’를 만드는 독특한 뉴런을 발견했습니다.

마지막으로, MBL 동료 인 Hari Shroff 박사와 NIBIB (National Institute of Biomedical Imaging and Biotechnology)의 MBL 연구원 Abhisek Kumar가 개발 한 고해상도 광 시트 형광 현미경 (diSPIM)을 사용합니다. 발달하는 아주 작은 선충 배아에서 층상 구조가 어떻게 나타나는지 확인할 수있었습니다.

논문의 제 1 저자 인 예일대 신경 과학과의 박사후 연구원 인 Mark Moyle은 “이 연구는 협력하기 어려운 컴퓨터 생물학과 발달 생물학의 두 분야를 결합한 패러다임 변화의 결과”라고 말했다. “나는 이해할 수 있었고이 지식을 바탕으로 구조의 올바른 조합으로 이어지는 개발 과정을 식별 할 수있었습니다.”

저자들은이 접근법이 다른 동물의 뇌 신경망을 이해하기위한 청사진 역할을 할 수 있다고 믿습니다.

도시 건물에서 자치구까지

예쁜 선충은 모든 동물이 가장 잘 이해할 수있는 신경계를 가지고 있습니다. 30여 년 전, Dr. John White와 Sydney Brenner의 팀은 302 개의 뉴런과이 뉴런 사이의 약 7,000 개의 시냅스 연결의 배선도 인 님프 선충의“커 넥톰 ”을 만들었습니다. 발표되었습니다.

그 선구적인 연구 이후, 선충의 거의 모든 뉴런은 모양, 기능적 범주, 그들이 속한 신경 회로 및 발달 세포주와 같은 특성에 따라 분류되었습니다.

하지만 뭔가 빠진 것이있었습니다. 이러한 세포와 ​​신경 회로가 시간이 지남에 따라 공간적으로 어떻게 통합되는지에 대한 전체적인 그림입니다.

Colon-Ramos의 팀은 신경 고리에있는 181 개의 뉴런 사이의 모든 막 접촉에 대한 발표 된 데이터를 분석했습니다. 그런 다음 새로운 네트워크 분석을 적용하여 연락처 프로필을 기반으로 셀을 ‘이웃’으로 그룹화했습니다. 페이스 북이 사람들의 공통 연락처를 기반으로 친구를 추천하는 데 사용하는 알고리즘과 유사했습니다.

이를 통해 신경망의 계층 적 구조가 드러났으며 연구팀은 기능 회로의 맥락에서 세포 간 상호 작용을 이해하고 상위 신경망 구조에서 기능 회로를 이해할 수있었습니다 ([동영상 1] 참고).

Colon-Ramos 교수는 “구조를 살펴보면 동물의 행동에 대한 모든 지식이 뇌 구조에 있다는 것을 알 수 있습니다.”라고 말했습니다.

“이와 같이 뉴욕의 동부 및 서부, 브루클린 및 퀸즈에 대한 별도의 지식을 갖지 않고 전체 구조를 살펴보면 전체 도시가 어떻게 조화를 이루는 지 더 잘 이해할 수 있고 이웃 지역 간의 관계를 이해할 수 있습니다.” 비유를 들었습니다.

따라서 이제는 “이러한 행동은 근육에 대한 직접적인 회로이기 때문에 반사 신경과 같습니다”또는 “이가 운동 프로그램의 다른 부분과 어떻게 연결되는지”로 설명 할 수 있습니다. “구조가 있다면 정보는 어떻게 처리됩니까?” “우리는 그것이 어떻게되고 행동으로 분할되는지에 대한 새로운 모델을 만들 수 있습니다.”

신경 링 개발 및 개발 재구성

뇌는 배아 세포의 분열에서 시작하여 완전한 기관으로 끝나는 발달의 산물입니다.

Colon-Ramos 교수는 다음과 같이 말했습니다.“다음 질문은 계층 구조의 형성을 어떻게 지시 할 수 있는가입니다. 이 모든 결정은 어떻게 수백 개의 세포에서 동시에 발생하고 조직화 된 층으로 생성됩니까? 이러한 결정은 시간과 공간을 통해 어떻게 조정됩니까? 해야 할 포인트”라고 그는 소개했다.

“계층 적 구조는 뇌가 구성되는 기본 단위이며 망막도 층이고 피질도 층입니다.” “이해하는 데 도움이되는 모델을 만들 수 있습니다.”

연구의이 부분은 2014 년 Colon-Ramos 교수와 Moil 연구원이 현미경 개발자 Dr. Schrov 및 Kumar와 함께 MBL에서 작업을 시작하면서 시작되었습니다.

Schrov는 “우리는 시간 도구보다 더 나은 공간적 및 시간적 해상도로 배아를 볼 수있는 현미경 (diSPIM)을 만드는 것으로 시작했습니다.”라고 말했습니다.

그런 다음 Sloan Catering Institute의 논문 공동 저자 인 Zhirong Bao 박사가 개발 한 계보 적 접근 방식을 사용하여 선충 배아의 모든 세포를 식별했습니다. 이러한 결과는 WormGUIDES.org에 분류됩니다. Schrov 박사는 “매우 고통스러운 과정 이었지만 수행해야 할 중요한 작업이었습니다.”라고 말했습니다.

어려운 협업을 통해 결과 달성

연구팀은 수년 동안 MBL의 실험실에서 함께 작업하면서 diSPIM 시스템을 수없이 조정하고 다른 매우 중요한 기술을 통합함으로써 많은 좌절감을 경험했습니다. 성공적이었다 ([동영상 2] 참고).

Colon-Ramos 교수는“diSPIM을 사용하여 장기간 촬영하고 부드러운 이미지를 얻을 수 없었다면이 작업은 불가능했을 것입니다.”라고 말했습니다. “기술 개발의 많은 변화는 점진적으로 보였지만 실제로는 가능성을 크게 높일 수있었습니다. 할 수 없었던 일을 할 수있었습니다.”

“종종 필요한 변경 사항은 서로 다른 어휘를 사용하는 두 영역에서 분리됩니다.”라고 그는 말했습니다. “이를 맞추기 위해 길고 집중적이며 철저한 대화가 필요했기 때문에 MBL에서 협업 할 수있었습니다.” .

(34)