3. [ Brain Connectomics ] Basic Informations

제가 연구하는 brain connectomics에 대해 공부를 하면서

꼭 알아야 하는 개념에 대해서 적어두고자 하는 게시글 입니다.

 

내용은 짧되,

빠른 속도로 brain connectomics 관련 개념들을 업로드 할 계획입니다 :)

 

 

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1. Brain Network 연구 동향

 

신경과학 분야의 연구가 빠른 속도로 변화함에 따라

미국의 국가과학 프로젝트로부터 시작된 BRAIN Initiative는

대규모 실험을 통한 신경세포 집단의 전반적인 이해를 목적으로 하고 있습니다. 

 

brain neural network를 이해하기 위한 연구가 계속해서 이루어지고 있는데요,

brain neural network data는

 

1) large-scale level data(거시 수준의 데이터)와

2) meso-scale level data(중간 수준의 데이터), 그리고

3) micro-scale level data(미시 수준의 데이터) 로 구분할 수 있습니다.

 

 

1) large scale data

의 경우 human brain imaging research를 통해 얻어지며 fMRI, PET, MEG 등이 이용됩니다. 

 

fMRI Photos

출처: All About Functional Magentic Resonance Imaging (fMRI) - https://psychcentral.com/lib/what-is-functional-magnetic-resonance-imaging-fmri

 

 

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fMRI:

뇌 속의 산소 흐름과 같은 역동적인 상황의 촬영이 가능한 뇌단층 촬영기입니다. 

 

MRI라고 하는 것은 역동적인 것이 아닌 그냥 3차원적인 촬영이며,

fMRI의 경우 4차원적으로 매 순간 변화하는 것을 곧바로 측정할 수 있는

최첨단 의료기기 입니다. 

 

이러한 large scale data는 뇌의 넓은 범위가 포함되지만,

single cell level이 아닌 region level의 data가 얻어지기 때문에

정밀하고 각각의 neural cell activity 등에 대한 정보를 얻지 못합니다. 

 

때문에 개별 neural cell level의 정밀도로 뇌 전체를 기록해

뇌의 작동원리를 이해하고자 하는 것을 목표로, 관련된 연구들이 다수 진행되고 있습니다. 

 

 

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2. Brain Connectomics 

: Brain connectomics를 이해하기 위한 간단한 예시가 있습니다.

 

바로

일란성 쌍둥이

인데요, 

일란성 쌍둥이란, 난자 1개가 정자와 수정한 후

둘로 쪼개져서 태어난 쌍둥이를 말합니다.

 

이들의 인격의 차이는 brain에서 유래할 것으로 예상되고 있는데,

그렇다면 이 brain을 구성하는 뇌의 신경회로가 아주 중요한 영향을 미칠 것입니다. 

 

 

그렇기에 brain neural circuit의 projection과 synapses에 대한

이해를 토대로 한 single-neuron connectome의 연구가 중요시되고 있습니다.

 

 

Neuron imaging ㅣ https://www.drugtargetreview.com/news/35422/3d-neuron-imaging/

 

Neuron Circuits of Brain ㅣ https://www.hrl.com/news/2018/11/07/novel-memristor-neuron-circuits-offer-building-blocks-for-mimicking-the-brain

 

Human brain을 이해하기 앞서

mouse brain의 정복부터 진행되고 있는 상황인데요,

mouse는 7x10^7개의 neuron을 가지고 있다고 알려져 있습니다.

 

이 neuron들의 connectomic ID를 지정해

각각의 연결성과 기능에 대한 이해를 하게 되면

우리는 mouse에서의

 

1) gender difference,

2) inter-individual difference,

3) brain disorders(ex; autism, epilepsy)

 

등을 이해하고 왜 이러한 차이가 발생하는지를 완벽하게 이해할 수 있을 것입니다.

 

 

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그리고 이와 더불어 사람의 뇌는 어떻게 다른가?에 대한 질문을 해결하기 위해서

 

Human Connectome Project

 

라는 대규모 프로젝트를 통해

 

1) C.elegans (have 302 neurons) 

2) C.intestinalis (have 177 neurons)

3) fly 

4) mouse connectome

 

등으로 나뉘어 각각의 연구가 진행되고 있습니다. 

 

 

 

 

하지만 fly의 경우 아직 1/2 정도가 완성되어서 계속 진행되고 있는 상황이고,

mouse의 경우 total volume의 0.1%~0.0001% 정도만이

현 과학기술로 알아낼 수 있는 정보이기에

이보다 훨씬 더 복잡하고 정교한 human brain의 완벽한 정복은

아직까지는 비현실적인 과제입니다.

 

mouse brain neuron 연구에서, neuron을 관찰하기 위해 

형광물질을 가지는 virus의 infection을 통한 infected neuron을

10개 내지 많게는 100개 정도까지 한번에 관찰할 수 있는 이러한 제한적인 상황에서, 

기술적인 한계를 어떠한 방식으로 극복해 나갈지에 대한

많은 연구가 진행되고 있는 현재입니다. 

 

 

Graphical Abstract ㅣ https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31495573/

 

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* Neural circuit

 

neural circuit(신경 회로)는 활성화될 때 특정 기능을 수행하기 위해

시냅스에 의해 상호 연결된 neuron 집단입니다.

 

neural circuit는 서로 연결되어 대규모 뇌 네트워크를 형성합니다. 

 

 

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참고 사이트 및 문헌

 

1. All About Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI): https://psychcentral.com/lib/what-is-functional-magnetic-resonance-imaging-fmri

 

2. fMRI 분야 특허 동향: https://www.itfind.or.kr/WZIN/jugidong/1261/126106.htm

 

3. 대규모 데이터 기반의 뇌 신경망 연구동향: https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201508449473669.pdf

 

4. WIKIPEDIA: Neural circuit: https://en.wikipedia.org/wiki/Neural_circuit