새로운 이미징 플랫폼은 표류하는 마음의 신경 기반을 밝힙니다.

마지막으로 백일몽을 꾼 것은 언제입니까? 외부 세계에 특별한 관심을 기울이지 않고 자기 성찰이나 기억 회상에 몰두하면 정신 상태가 변경된 것처럼 느껴집니다. 이 차이는 기본 모드 네트워크(DMN)인 두뇌 활동의 글로벌 패턴에 반영됩니다. 20년 전에 확인되었고 이후 많은 연구 활동의 초점이 된 DMN은 뚜렷한 저주파 진동을 통해 여러 뇌 영역을 연결합니다.

“DMN은 또한 알츠하이머병, 정신분열증, 우울증, 자폐증을 포함한 다양한 신경학적 및 정신 장애에서 핵심적인 역할을 하는 것으로 생각됩니다. 신경과. "DMN이 건강과 질병에서 어떻게 기능하는지 이해하면 이러한 상태에 대한 새로운 치료법과 개입으로 이어질 수 있습니다."

이러한 목표에 동기를 부여한 Chao와 동료들은 기능적 자기 공명 영상(fMRI)을 세포 칼슘 수준을 측정하는 섬유 광도계 센서와 결합하여 서로 다른 뇌 영역이 함께 모여 쥐의 뇌에서 DMN을 설정하고 방해하는 방법을 이해했습니다. 그들은 그들의 발견을 과학의 발전.

대규모 뇌 연결성을 연구할 때 특히 깊은 뇌 영역에서 개별 뉴런을 활용하는 것은 어렵습니다. 따라서 전체 기능을 조사하기 위해 신경과학자들은 종종 신경 활동에 대한 프록시를 사용합니다.

"예를 들어, fMRI는 신경 활동의 변화를 반영하는 것으로 생각되는 뇌의 다른 영역으로의 혈액 산소화/흐름의 변화를 감지합니다."라고 Chao는 설명합니다. fMRI 신호에는 잡음과 가변성의 많은 원인이 있을 수 있습니다.” 뉴런 활동의 직접적인 측정으로 fMRI 데이터를 보완하기 위해 연구팀은 쥐 뇌에서 다중 사이트 뉴런 판독값을 제공하는 fMRI 호환 광학 이미징 플랫폼을 개발했습니다.

한 뉴런에서 다른 뉴런으로 신호가 전달되는 동안 칼슘 이온은 활동 전위에 반응하여 세포로 들어가 신경 전달 물질이 시냅스로 방출되도록 합니다. 실험을 위해 연구팀은 칼슘에 민감한 단백질을 운반하는 유전자 조작된 쥐를 사용했습니다. 이 단백질은 "칼슘 결합에 반응하여 구조적 변화를 겪어 세포 내 칼슘 수준의 변화를 감지하는 데 사용할 수 있는 형광 강도를 증가시킵니다."라고 Chao는 말합니다.

연구원들은 fMRI 기계를 네 개의 뇌 영역에서 동시에 세포 칼슘 농도의 변화를 감지할 수 있는 섬유 광도계 플랫폼과 동기화했습니다. 그런 다음 마취된 설치류의 뇌에서 DMN 활동 변화를 스캔하여 칼슘 데이터와 일치시켰습니다.

관찰된 XNUMX개 뇌 영역 중 XNUMX개 영역은 DMN이 형성되기 직전에 신경 활동이 증가한 반면, 네 번째 영역(전방 섬 피질)에서는 활동이 상당히 감소했습니다. 전방 섬 피질이 주의와 관련된 대체 뇌 연결 상태인 돌출 네트워크(SN)에서 역할을 하기 때문에 이것은 흥미롭습니다.

대조적으로, DMN 비활성화 시, 8개의 DMN 관련 영역의 활동이 억제되는 반면 전방 섬 피질 신호는 DMN이 종료되기 약 XNUMX초 전에 급증했습니다. 통계 분석 후, 이러한 관찰은 전방 섬 피질 활동이 다른 DMN 뇌 영역에 부정적인 인과 관계가 있음을 나타냅니다.

연구자들은 또한 그들 사이의 가능성 있는 전이의 주기로 완성된 XNUMX가지 잠재 뇌 상태의 모델을 도출했습니다. 이러한 잠복 상태 중 일부에서는 전방 섬 피질이 다른 영역과 상관 관계가 있는 반면 다른 상태에서는 상관 관계가 없기 때문에 Chao는 "대규모 뇌 네트워크의 토폴로지는 매우 역동적일 수 있으며 이러한 네트워크는 다소 겹칠 수 있습니다. 명확하게 분리되는 대신”. 전방 섬 피질이 DMN 억제를 유도하는 경로는 추가 조사가 필요하지만 팀은 향후 작업에서 이를 달성하기를 희망합니다.

연구원들은 또한 칼슘 측정 기술로 깨어 있는 쥐의 뇌를 연구했습니다. 쥐가 가끔 홀수 일회성으로 반복되는 소리를 듣는 이상한 패러다임을 사용하여 그들은 연구된 뇌 영역 사이의 인과 관계 네트워크를 발견했으며, 다시 전방 섬 피질이 다른 DMN 관련 영역에서 억제 역할을 합니다.

깨어 있는 쥐에 대한 실험에서는 기존의 fMRI 획득이 매우 시끄러워 동물에게 스트레스를 줄 수 있기 때문에 fMRI를 특징으로 하지 않았습니다. "인간의 경우 귀마개와 귀덮개를 사용하여 인간 대상에 영향을 미치는 음향 소음을 최소화할 수 있습니다."라고 Chao는 설명합니다. “설치류의 두개골이 음향 소음이 쉽게 침투할 수 있을 정도로 매우 얇기 때문에 우리가 설치류를 모방하는 것이 실질적으로 더 어렵습니다. 즉, 우리는 실제로 새로운 자동 fMRI 기술을 사용하여 깨어 있는 쥐에서 fMRI를 수행하기 위해 노력하고 있습니다.”

연구팀은 동시에 두 명의 피험자로부터 데이터를 수집할 수 있도록 더 많은 채널을 포함하여 칼슘 센서 접근 방식을 더욱 발전시키고 있습니다. “이 업그레이드를 통해 설치류 모델을 사용하여 사회적 상호 작용에서 DMN 및 SN 역할을 조사할 수 있습니다. 우리는 이 주제에 대해 Stanford University의 Vinod Menon 연구실과 활발한 협력 관계를 유지하고 있습니다.”라고 Chao는 말합니다.

EEG와 fMRI 동시 측정 수면 '관성'

그는 그들의 연구가 "건강한 뇌에서 대규모의 기능적, 행동적으로 중요한 뇌 네트워크의 세포 기반과 뇌 장애에서 네트워크 기능 장애로 이어지는 신경 메커니즘을 조사하기 위해 설치류 모델을 사용하는 미래의 중개 연구를 위한 길을 열어준다고 확신합니다. ".

"[그것은] fMRI의 지형을 변화시킬 잠재력을 가지고 있으며 얻은 지식은 인간 두뇌 fMRI 데이터의 설계, 분석 및 해석에 광범위한 영향을 미칠 것입니다."라고 Chao는 말합니다. 물리 세계.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/novel-imaging-platform-reveals-the-neuronal-basis-of-a-drifting-mind/