[전문기술] 뇌과학 난제 해결에 기여하는 프로젝톰(projectome) 연구

[전문기술] 뇌과학 난제 해결에 기여하는 프로젝톰(projectome) 연구

 

 

뉴런 프로젝톰(projectome)은 뉴런이 어떻게 퍼져 나가고, 연결되는지에 관한 연구로, 마우스 해마에서 단일뉴런의 프로젝톰 연구를 통해 이전에 알려지지 않았던 해마 뉴런의 공간적 구조과 연결성 원리를 규명. 또한 프로젝톰에 대한 대화형 쿼리, 시각화 및 분석이 가능한 데이터베이스를 공개함에 따라 뇌과학 및 신경과학에 새로운 지식을 제공할 것으로 기대 ▸주요 출처 : Science, Whole-brain spatial organization of hippocampal single-neuron projectomes, 2024.2.2

 

■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