주간뇌연구동향 2017-05-19 한국뇌연구원 뇌연구정책센터
1. 역행성표지법과유전자프로파일링을통한수면뉴런의규명 * Article: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=identification+of+preoptic+sleep+neurons+using+retrograde+labelling+and+gene+profiling+ 시상하부의전두엽영역에발생하는병변은인간을비롯한포유류종에서심한수면장애를일으키는데, 이는수면발생에서시각전영역 (preoptic area) 이중요한역할을한다는것을나타낸다. 그러나이와관련한신경회로기전에대해서는아직분명하지않다. 전기생리학적접근법과 c Fos 면역조직화학염색법은시각전영역, 특히복외측시각전영역과중앙시각전핵에서수면활성뉴런의존재를보여주었다. 또한, c-fos로표지된수면활성뉴런 (sleep active neuron) 의약리학적활성화를통해수면이유도된다는것을보여주었다. 그러나수면활성뉴런은각성활성뉴런과공간적으로혼재하여수면뉴런만을신경회로분석을위한타깃으로삼기에어려움이있었다 미국 UC Berkeley 대학 Yang Dan 박사연구팀은투사 (projection) 표적에기반하여시각전영역에서수면뉴런집단을규명하고, 분자마커를발견하였다. 연구팀은채널로돕신 2(channelrhodopsin-2) 를발현하는렌티바이러스, 광활성의염소채널을통한역행성표지법 (retrograde labelling), 양방향성의광유전학적조작기법과광전극기록법을사용하여조면유두체핵 (tuberomammillary nucleus) 으로투사하는시각전영역가바성뉴런이수면활성적이고수면을촉진시킨다는것을보여주었다. 또한, 리보솜친화성표지법 (translating ribosome affinity purification) 과단일세포 RNA 시퀀싱을통해이뉴런에대한후보마커를규명하였고, 광유전학적 / 약물유전학조작을통한몇가지펩타이드마커 ( 콜레시스토키닌, 코티코트로핀방출호르몬, 타키키닌 ) 들이수면촉진뉴런임을확인하는데사용되었다. 종합적으로, 이러한연구결과는수면을촉진하는시각전영역에대한쉬운유전적접근방법과수면조절신경회로를해부하기위한진입지점을제공한다
1. 역행성표지법과유전자프로파일링을통한수면뉴런의규명 ( 계속 ) Optogenetic activation or inhibition of GABA POA TMN neurons enhances or suppresses sleep. a, Schematic of optogenetic activation experiment. Right: fluorescence image of POA (box in schematic) in a GAD2-Cre mouse with reiav-dio-tloop-chr2 eyfp injected into the TMN. b, Two example trials. Shown are EEG power spectra, EMG traces, brain states (colour coded), and EEG, EMG traces during selected periods (indicated by boxes) on an expanded timescale. Blue shading, laser stimulation (10 Hz, 120 s). Freq., frequency. c, Percentage of time in NREM, REM, or wake state before, during, and after laser stimulation (blue shading), averaged from nine. d, Schematic of optogenetic inhibition experiment. e, Two example trials. Blue shading, laser stimulation (constant light, 60 s). f, Percentage of time in NREM, REM, or wake state before, during, and after laser stimulation, averaged from four mice. *POA : Sleep-active preoptic area TMN : wake-promoting, histaminergic tuberomammillary nucleus
2. 뇌스캔해상대방꿈을읽는다출처 : 사이언스타임즈 * Article: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28394322 최근상영됐던영화 루시드드림 (Lucid Dream) 에서는주인공이자각몽 ( 自覺夢 ) 인상태에서상대방의꿈속으로들어가는내용이나온다. 아들을납치해간범인의꿈속으로들어가아들의행방을추적한다는것이영화의핵심줄거리다 이보다앞서지난 2010년에개봉하며공전의히트를기록했던 인셉션 (Inception) 의경우는여기서한발더나아간다. 타인의꿈속으로들어가는것에만족치않고, 아예상대방의꿈을새롭게디자인하는수준까지다루는것 그야말로 SF 영화에서나등장할법한소재이지만, 그렇다고완전히허무맹랑한이야기도아니다. 최근미국에서발표된연구결과를고려하면영화속가정이현실로다가올날이그리멀지않은것으로보인다 첨단기술정보포털인싱귤래리티허브 (Singularity Hub) 는미국의과학자들이간단한뇌스캔을통해상대방의꿈을읽어낼수있는신경과학기술을개발중이라고보도하면서, 뇌파를모니터링할수있는알고리즘이핵심기술이라고밝혔다
2. 뇌스캔해상대방꿈을읽는다 ( 계속 ) 꿈꾸는행위는렘수면보다핫스팟이더큰영향 지난수십년동안과학자들은꿈을꾸는행위가일명 렘수면 이라불리는급속안구운동수면 (REM) 시간동안대부분일어난다고생각했다. 렘수면이란깨어있는상황에가까운얕은수면을가리키는것으로서, 이과정동안 안구가빠른운동 (Rapid Eye Movement) 을한다고해서렘이라는이름이붙여졌다 일반적인성인의렘수면비율은총수면의약 20~25% 로서, 시간으로따지면약 90~120분정도를렘수면시간이라볼수있다 반면에렘수면중에만꿈을꾸는것은아니라는내용들의연구결과도발표된바있다. 일부연구결과에따르면뇌가저주파활동의지배를받고있는비렘수면시간동안에도꿈을꾸고있는신호를발견한것으로나타났다 그런데이같은주장들에대해미위스콘신대의연구진은꿈을꾸는과정이렘수면이나비렘수면에달려있다기보다는, 뇌의 핫스팟 (hot spot) 이더중요한영향을미친다는새로운이론을제시하여주목을끌고있다 네이처뉴로사이언스 (Nature Neuroscience) 최근호에실린논문에는뇌의후두부에위치하면서뇌파와관련된활동패턴이일어나는핫스팟이꿈을꾸는행위와직결되는부위라는내용이포함되어있다. 연구진은우선 32명의참가자들을대상으로뇌파를기록하면서밤사이에임의의간격을두고잠에서깨도록했다. 연구진은잠에서깬참가자들에게꿈을꾸고있었는지, 꿈을꿨다면그내용이무엇이었는지를질문했다. 그결과연구진은지금까지꿈과관련이있다고생각했던렘수면의활동을관찰하지않고, 뇌의뒷부분에형성되어있는 핫스팟 에서일정한패턴이발생한다는것을확인했다. 또한꿈의발생정도가클수록더역동적인활동을나타낸다는점이었다. 이번프로젝트의책임자이자위스콘신대교수로재직하고있는프란세스카시클라리 (Francesca Siclari) 박사는 핫스팟에서나타나는꿈과저주파뇌파사이의강한상관관계를추적하면수면중인사람이꿈을꾸고있는지아니면그냥잠들어있는지를 91% 의정확도로예측할수있다 라고주장했다
2. 뇌스캔해상대방꿈을읽는다 ( 계속 ) 꿈내용분석하여불면증및악몽을꾸는원인파악 위스콘신대연구진은꿈을꿀때우리의두뇌가어떻게행동하는지를조사하기위하여 꿈신호 (dream signature) 시스템 을사용했다 꿈신호시스템은원래렘수면상황에서얼마나많은꿈을꾸는지를파악하기위해개발됐다. 그러나실험을진행하면서렘수면이아닐때도얼마나많은꿈을꾸는지를밝혀낼수있었다. 참가자 7명을대상으로모니터링을하면서렘수면이아닌상태에서도 71% 가꿈꾸는것을발견한것. 하지만꿈신호시스템의진정한가치는이를통해꿈의내용을대략적으로분석할수있다는점이라는것이시클라리박사의설명이다. 그녀는 핫스팟에는시각적정보와청각적를처리하는영역이있는것으로추정된다 라고소개하며 이는마치깨어있을때시각과청각을인식하는것과동일한과정 이라고언급했다 연구진은뇌파기록을통해실험참가자들이꿨던꿈의내용을읽을수있는지를연구했다. 그결과꿈속에서이야기를했던참가자들은언어와관련된뇌영역에서뇌파활동성이높은것으로나타났고, 사람을만났던꿈을꾸었던사람들은이미지를인식하는뇌영역이활성화된다는점을확인했다 이같은결과에대해시클라리박사는 꿈꾸는뇌와깨어있는뇌는우리가생각했던것보다훨씬더유사하다 라고강조하며 꿈은반드시지각 ( 知覺 ) 적인것이아니라, 어떤경우에는깨어있을때머릿속을맴도는생각처럼추상적일수도있다는것이우리의결론 이라고주장했다 현재연구진은이번연구결과가의료분야에사용될것으로기대하고있다. 꿈의내용을분석할수있다면불면증에시달리거나악몽을자주꾸는사람들의꿈을분석하여치료가능성의길을제시해줄수있다는것이다
3. " 살아있는뇌구석구석관찰 " 광학현미경기술개발출처 : 대덕넷 * Article : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=lar ge-field-of-view+imaging+by+multipupil+adaptive+optics 박정훈 UNIST교수, 퍼듀대공동연구팀연구 ' 빛의파면 ' 제어해생체내심부조직고해상도이미징실현 살아있는생물의몸속깊은곳을살펴볼수있는광학현미경기술이개발됐다 UNIST( 총장정무영 ) 는박정훈생명과학부의교수와멩쿠이 (Meng Cui) 미국퍼듀대교수팀이공동으로 ' 다개구보정광학현미경 ' 을개발했다고 17일밝혔다 이광학현미경기술을이용하면넓은영역 (450μm 450μm ) 의생체조직내부를광학현미경으로실시간관찰가능하다. 가령살아있는쥐의뇌속신경세포와혈관등생체내부깊숙한곳을고해상도로확인할수있다 광학현미경은빛으로세포같은미세한물체를비춰상 (image) 을확대하고관찰한다. 이때관찰대상이되는세포나조직은얇게잘라야한다. 시료 (sample) 가너무두꺼우면, 광초점을제대로형성하지못해고해상도이미지를얻기어렵다
3. " 살아있는뇌구석구석관찰 " 광학현미경기술개발 ( 계속 ) 생체조직을이루는세포는지질이나단백질등다양한물질로이뤄진다. 빛의경로는이들물질의경계면마다달라진다. 따라서관찰지점에광초점을형성하기위해입사된빛은무작위적으로퍼진다. 이러한복수산란문제로생체깊숙한부분에초점을못만들어고해상도이미지를얻지못하게된다 그런가운데박정훈교수팀은생체조직에서왜곡되는 ' 빛의파면 (wavefront)' 을조절해이러한문제를해결할기술을개발하고, 고해상도이미지를얻는기술인다개구현미경시스템을세계최초로개발했다 빛은나아가면서일정한주기의파동을이룬다. 이파동의마루끼리연결하면빛의파면이생기며, 이모양에따라빛의진행이달라진다. 박교수팀은생체조직에서빛의파면이어떻게왜곡되는지측정해이를상쇄할방법을찾아냈다 광학현미경에서도빛을특정경로로나아가도록설계하면빛의모든성분들이목표지점에서보강간섭을이뤄고해상도이미지를얻을수있다 연구진이이에대한기술을적용해만든다개구현미경은하나의대물렌즈를마치여러개의독립적인렌즈처럼사용한다. 대물렌즈의입사평면을복사 분리해각각의개구마다서로다른파면으로빛을입사시킨다 또연구진은총 9개의독립적인개구를구현해서로다른깊이에대한정보를동시에얻었다. 살아있는쥐의뇌에서고해상도뉴런분석과미세아교세포의면역활동, 뇌혈관의깊이별동역학까지관찰했다 박정훈교수는 " 뇌활동을이해하려면넓은영역에분포된뇌세포사이에서역동적인연결관계를직접봐야한다 " 며 " 이번기술로뇌뿐아니라살아있는생체조직깊숙이고해상도로실시간관찰할수있는창 (window) 이생긴셈 " 이라고말했다 이번연구결과는네이처 (Nature) 자매지로생화학연구방법분야세계최고권위지로꼽히는네이처메소드 (Nature Methods) 에지난 9일자로발표됐다 * Related Youtube : https://www.youtube.com/watch?v=rnr6mt0vpjm
4. 여성뇌경색위험예측혈중단백질표지발견출처 : 연합뉴스 * Article: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term= Prospective+association+between+%CE%B22- microglobulin+levels+and+ischemic+stroke+ri sk+among+women 美하버드대브리검여성병원연구팀 여성의뇌경색위험을예측할수있는혈중단백질표지가발견됐다 미국하버드대학브리검여성병원의파멜라리스트박사는모든세포표면에있는단백질베타-2 마이크로글로블린 (B2M) 의혈중수치가높은여성은뇌경색이발생할위험이크다는연구결과를발표했다고메디컬뉴스투데이가 12일보도했다 간호사건강연구 (NHS: Nurses' Health Study) 에참가하고있는여성 ( 평균연령 61세 ) 을대상으로진행한조사분석결과이같은사실이밝혀졌다고리스트박사는말했다 그의연구팀은 2년마다생활습관에관한설문조사와함께혈액검사를평균 9년동안계속했다 그사이에 473명의뇌경색환자가발생했다 연구팀은이들과연령, 인종, 채혈시기, 폐경상태, 폐경후호르몬요법사용여부와흡연등전통적인뇌경색위험요인이 1대1로일치하는다른여성 473명을선별해대조군으로설정하고두그룹간혈중 B2M 수치를비교해봤다 그결과 B2M 혈중수치가뇌경색그룹은평균 1.86mg/L( 리터당밀리그램 ) 로대조군의 1.80mg/L보다높게나타났다 연구팀은이들모두를 B2M 수치에따라 4그룹으로분류해그룹별로뇌경색위험을평가했다
4. 여성뇌경색위험예측혈중단백질표지발견 ( 계속 ) 결과는 B2M 수치최상위그룹이최하위그룹에비해뇌경색위험이 56% 높은것으로나타났다 B2M 수치최상위그룹에서는 283명중 163명, 최하위그룹에서는 227명중 106명이뇌경색이발생했다 조사참가여성들은대부분백인이었고또개인별 B2M 수치의변화는살펴보지못했지만, 이결과는 B2M이여성의뇌경색위험도를평가하는표지가될수있음을보여주는것이라고리스트박사는말했다 B2M 혈중수치상승은전신성염증과연관이있다고그는설명했다 이에대해미국뇌졸중학회의미치엘킨드박사는 B2M은염증표지단백질인 C-반응성단백질 (CRP) 을비롯, 뇌졸중위험을나타내는여러가지생물표지중하나일것이라면서뇌졸중위험평가는특정생물표지하나보다는여러표지를종합해서판단하는것이효과적일것이라고논평했다 이연구결과는미국신경학회학술지 ' 신경학 '(Neurology) 온라인판에발표됐다
5. 뇌에 LED 를심어감정을조절한다? 출처 : YTN science LED에서발생하는빛으로선호나혐오등의감정을유도할수있는마우스모델이소개됨 선호나혐오관련신경세포를각각파란색과녹색빛에반응하도록유전자를조작한뒤 LED를뇌에심음. 이어무선통신으로 LED를켜신경세포를활성화시킴 감정을조절하는뇌의영역인편도체를자극해서지나친감정을비활성화해조절하고, 반대로우울증증세가나타나면다시뇌영역을활성화해감정을극대화할수있음 궁극적으로인간뇌에이식해우울증등뇌질환치료에활용될계획임 * YTN science : http://science.ytn.co.kr/hotclip/view.php?s_mcd=0082&key=201705121820007044
02. 과학기술정책및산업동향 1. 인간뇌보존 분양하는 ' 뇌은행 ' 사업본격화출처 : 대덕넷 한국뇌연구원, 17일강원대병원 서울아산병원협약 뇌자원 2022년까지 200명 인간의뇌를보존, 분양하는뇌은행사업이본격화된다 한국뇌연구원 ( 원장김경진 ) 은 17일강원대병원, 서울아산병원과 ' 인간뇌질환연구협력및뇌은행발전을위한상호업무협력양해각서 ' 를체결했다고이날밝혔다 뇌은행은알츠하이머치매등퇴행성뇌질환뿐아니라자폐증, 우울증, 뇌전증 ( 간질 ) 등다양한뇌질환을앓는환자들과가족, 일반인으로부터뇌연구자원을기증받아보존한뒤이를필요로하는연구자들에게분양하는기관이다 이번협력으로뇌연구원과협력병원은인간의정상뇌조직및질환뇌조직을수집 보존 분양하는한국뇌은행네트워크를함께구축한다 또앞으로 뇌질환관련기술협력및공동연구발굴 뇌질환관련심포지엄, 세미나, 워크숍개 최 뇌연구자원의수집, 보존, 분양등협력병원뇌은행지원사업을함께펼칠예정이다 한국뇌연구원과강원대병원, 서울아산병원이업무협약을체결하고기념사진을찍고있다. < 사진 = 한국뇌연구원제공 > 뇌은행은지난 2015년부터지금까지 28명에게서사후뇌기증을받아협력병원에보존하고있으며 2020년까지 200명이상의뇌조직을확보해본격적으로필요한연구자에게분양할계획이다. 올해부터사후뇌조직뿐만아니라전연령층을대상으로다양한생전뇌연구자원수집도진행했다 김경진원장은 " 앞으로수도권과강원권주민중뇌기증에뜻이있는이들이이사업에좀더쉽게동참할수있을것 " 이라며 " 인간뇌연구를통해치매등퇴행성뇌질환연구에큰발전이이뤄질것 " 이라고말했다
02. 과학기술정책및산업동향 2. 후각이용해치매징후포착에자이, 간이검사키트, 출처 : 대덕넷 사람의후각을이용해치매의징후를포착하는간이검사키트가일본에서출시됐다 에자이는미국펜실베니아대가개발한 ' 업시트 ' 를토대로만든후각이상간이검사키트를출시했다고발표했다 최근연구에서는인지장애를발병하기 20년정도전부터뇌세포가손상되기시작하고치매초기단계에후각장애와불면, 우울증이나타나는것으로알려져있다. 특히치매환자는정확하게냄새를파악하기어렵다. 고령화에따라치매환자가증가하고있는가운데신속한검사법도입을통해조기에의사의진찰을받을수있도록한다는계획이다 간이검사키트는시트의냄새를맡게하고어떠한냄새가나는지 4종가운데선택하는방법이다. 정확하게답변할수없는경우치매를비롯해신체에이상이있는것으로의심해볼수있다. 시트의가격은 10장당 1만엔이다 일본의 65세이상가운데치매환자는 2012년약 462명이며오는 2025년에는 700만명을넘을것으로예상된다
02. 과학기술정책및산업동향 3. 뇌출혈위험 5 분이면진단... 삼성전자, 인공지능의료기기개발출처 : 대덕넷 삼성전자가미국의료기기자회사인뉴로로지카를통해인공지능 (AI) 이접목된차세대의료기기시장에진출한다. 이스라엘의료영상솔루션개발업체인메디매치테크놀로지와손잡고컴퓨터단층촬영 (CT) 의료기기촬영만으로뇌출혈가능성을알려주는 AI를탑재한 CT 장치를선보일예정이다. 전세계적으로수천만명에달하는뇌졸중환자의증가추세가꺾일지주목된다 18일뉴로로지카에따르면이회사는자사의이동형 CT 장비인 세라톰 (CereTom) 에메디매치테크놀로지의뇌출혈가능성을진단할수있는 AI 기술을탑재할방침이다. 뉴로로지카는삼성전자가지난 2013년 CT 사업및의료기기사업전반의경쟁력을강화하기위해인수한미국 CT 전문개발업체다 메디매치테크놀로지가개발한 AI 기반응급실용뇌출혈검출애플리케이션은응급상황에서환자가뇌 CT 촬영을하면기존임상데이터등을기반으로뇌출혈가능성을 5분내에진단할수있다. 뇌출혈을조기에발견해뇌졸중에대한적절한치료를사전에진행할수있다 구급차에탑재돼뇌졸중대응시간을줄여주는이동형 CT인세라톰이메디매치테크놀로지의 AI 기술과접목되면뇌출혈등뇌질환환자의상태를딥러닝기반으로분석해구급차에서병원으로이송중진단해치료하는시간이획기적으로단축되고정확도역시높아질것으로기대된다 특히신수종사업으로의료기기사업에진출한삼성전자가이번 AI CT 기기출시로차세대 AI 의료기기시장에서기반을잡는계기를마련할지주목된다. 한국보건산업진흥원에따르면전세계 AI 의료기기시장수익규모는지난 2014년 6억3380만달러에서오는 2021년 6662억2000만달러로폭발적인증가세를보일것으로전망된다. 또한휴대용 X선및 CT 스캔장치시장역시오는 2020년까지연평균 7.6% 의높은성장률을기록할것으로예상되며일반의료기기시장에서의성장역시기대된다
감사합니다