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뇌과학 난제 해결에 기여하는 프로젝톰(projectome) 연구

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 24-22

■최근 마우스 해마(hippocampus, HIP)에서 뉴런의 공간 정보와 유전자 발현 데이터를 결합하여 뉴런의 서브타입을 정의할 수 있는 새로운 지식을 제공

○ 해마는 뇌의 측두엽 깊숙한 곳 (양쪽 귀 위쪽)에 있는 양면 구조로, 학습, 기억, 인지에 필수적인 기능을 담당 

- 최근 해마의 위축이 알츠하이머 치매와 무관하게 인지기능 저하와 연관이 있다는 연구결과가 발표

관련 논문 : Neurology, Association of Pathologic and Volumetric Biomarker Changes With Cognitive Decline in Clinically Normal Adults, 2023.12.12

출처 : 연합뉴스, 기억 중추 해마 위축만으로도 인지기능 저하, 2023.11.21

○ 뉴런은 신경계에서 신호를 전달하는 기본 단위로, 세포체(soma), 수상돌기(dendrites)와 축삭(axon)으로 구성

- 뉴런의 핵을 포함한 세포체는 단백질 합성과 같은 주요 대사 활동이 일어나며, 수상돌기는 신호를 받는 역할, 축삭은 신호를 보내는 역할을 수행

- 특히, 축삭은 다른 뉴런이나 특정 영역으로 신호를 전달하므로 축삭 투사(projection) 패턴과 공간적 구조를 이해하는 것은 신경 회로 기반의 뇌 연구에 매우 중요

○ 축삭 투사 패턴은 특정 뉴런의 축삭이 뇌 내 다른 부위로 어떻게 확장되고 연결되는지 상세하게 매핑하고 시각화하는 과정을 의미하는데,

- 축삭 투사의 재구성은 뉴런 간의 연결성과 전체적인 뇌 회로망의 구조를분석하는 데 필수적 

■최근 중국의 연구팀(뇌과학·지능기술 우수혁신센터)은 마우스의 해마에서 단일뉴런의 축삭 투사 패턴, 세포체 분포와 공간 전사체를 분석

○ 이를 통해 10,100개의 해마 단일뉴런 프로젝톰(projectome)을 재구성하고, 축삭의 형태와 표적 영역을 기반으로 341개의 프로젝션 패턴*과 43개의 프로젝톰 서브타입**을 분류

- 프로젝톰 연구는 특정 뉴런이나 뉴런 집합의 전체적인 축삭의 투사 경로와 연결 패턴을 매핑하고 분석하는 것으로,

- 축삭이 뇌 전체에서 어떻게 퍼져 나가고, 서로 어떻게 연결되어 있는지 조사하여, 뇌의 기능적·구조적 네트워크를 연구

* 단일뉴런의 축삭이 뇌의 어느 부분으로 확장되고, 어떤 형태의 네트워크를 형성하는지에 관한 패턴

** 유사한 프로젝션 패턴을 공유하는 뉴런 그룹

○ 프로젝션 패턴과 프로젝톰 서브타입 분류는 뇌의 전체적인 연결성과 뉴런 간의 복잡한 상호작용을 이해하는 데 있어 중요한 발견으로,

- 각 프로젝톰 서브타입은 해마 뉴런이 뇌의 다른 부분과 어떻게 연결되어 상호작용 하는지에 대한 독특한 패턴을 나타내며, 이는 학습, 기억, 인지 및 감정 처리와 같은 다양한 뇌 기능에 중요한 통찰을 제공

○ 연구팀은 첨단 영상기법을 사용하여 단일뉴런 축삭과 투사 경로를 분석하여 재구성

- 해마 전 영역의 뉴런을 희소표지법(Cre-GFP의 국소적 주입)으로 형광 표지한 후, 형광미세단층촬영법(fMOST)으로 축삭 돌기의 곁가지 형태 및 세포체 분포를 마이크론 해상도 촬영

- 획득한 이미지 데이터로 축삭의 경로와 가지들을 디지털화하고 추적

- 추적한 데이터를 기반으로 3차원 모델을 생성하여 뉴런의 축삭이 뇌 내에서 어떻게 퍼져 있는지를 시각적으로 표현

※ 이 과정으로 축삭이 다른 뉴런이나 특정 뇌 영역과 어떤 연결을 형성하는지 파악 가능

- 재구성된 축삭 투사 데이터를 분석하여 뉴런 간의 연결 패턴, 연결의 강도, 뇌 영역 간의 정보 흐름 등을 분석

○ 해마의 10,100개 단일뉴런 축삭 돌기는 뇌 전체 표적*에 광범위하게 투사되는 것으로 조사

* 해마 뉴런 축삭 말단은 등피질(ISO), 후각영역(OLF), 해마 형성체(HPF), 선조체, 시상, 시상하부, 중뇌의 7개 뇌 영역에서 감지

- 해마 단일뉴런 세포체는 모든 하위 영역(CAl~CA3)과 다양한 해마 축(전-후, 횡-경, 좌-우)을 따라 매우 광범위하게 분포

○ 이번 연구를 통해 이전에 알려지지 않았던 해마 뉴런의 공간적 구조과 뇌와의 연결성 원리를 규명

- 프로젝톰에 대한 대화형 쿼리, 시각화 및 분석이 가능하며 CEBSIT 포털 (https://mouse.digital-brain.cn/hipp)을 통해 접근 가능

< 해마 단일뉴런 프로젝톰(single-neuron projectome)의 공간구성 원리>

1. 뇌 전-후 축에 따른 해마 단일뉴런 축삭 경로, 2. 해마형성체(HPF) 내·외 단일뉴런 투사체의 상관관계 분석, 3. 단일뉴런 투사체의 좌·우측 한쌍 원리(one-pair rule), 4. 해마형성체 내 축삭돌기 투사체의 횡-경 축에 따른 방향성, 5. 뇌 표적 영역별 해마 단일뉴런 소포체(soma) 위치, 6. 해마 축(axis)에 따른 단일뉴런 소포체의 공간적 투영도

...................(계속)

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