뇌 깊숙이 뉴런을 들여다 볼 수있는 혁신적인 방법
MIT는 심층, 세포 내 비 침습적 뇌 이미징을위한 새로운 방법을 만듭니다
출처 : coffee / pixabay
신경 과학의 커다란 장벽은 연구원이 수술이나 이식 프로브없이 살고 작동하는 뇌에 대한 연구를 수행 할 수있는 능력입니다. MIT (Massachusetts Institute of Technology)의 연구원은 생체 뇌 깊숙이 뉴런 신호를 모니터링하는 새로운 방법을 발표했으며 Nature Communications 에서 과학적 연구 결과를 발표했습니다 .
신경 과학자들은 어떻게 뉴런을 관찰합니까?
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현대 과학자들은 수년 동안 칼슘 이미징을 사용하여 뉴런을 연구 해 왔습니다. 뉴런의 칼슘 농도는 활성 상태보다 휴식 할 때 측정 할 수 있기 때문에 칼슘은 좋은 지표입니다. 포유 동물 뉴런에서 세포 내 칼슘 농도의 수준은 휴식시 약 50-100 나노 몰이며, 흥분하면 10-100 배까지 커집니다.
종종 신경 과학자들은 배양 된 세포가있는 실험실 접시에서 연구를 위해 뉴런의 활동을 비침 범적으로 묘사합니다. 손상되지 않은 조직에서 약 1 밀리미터의 얕은 깊이에서 활동을 관찰하는 것이 가능하지만, 더 깊이 들어가려면 프로브 설치 수술이 필요할 수있는보다 침습적 인 기술이 필요합니다.
이 발견을 돌파구로 만드는 것은 무엇입니까?
MIT의 교수이자 논문의 수석 저자 인 Alan Jasanoff는 자신의 연구 발견이 살아있는 뇌 내부의 활동을 측정 할 수있게하는 “세포 내 칼슘 신호 전달의 첫 번째 MRI 기반 검출”이라고 설명합니다.
다른 연구원으로는 Catherine G. Williamson, Emily S. Loucks, Stephen J. Lippard와 함께 Ali Barandov와 Benjamin B. Bartelle (리드 저자)가 있습니다.
팀은 살아있는 동물의 뉴런 활동을 깊고 비 침습적으로 이미지화하는 독창적 인 방법을 만들었습니다. 주요 차별화 요소는이 비 침습적 자기 공명 영상 (MRI) 기반 센서가 세포 밖에서, 뉴런 내부에서 세포 내에서 작동한다는 것입니다. 이제 신경 과학자들은 뉴런을 광범위하게 연구 할뿐만 아니라 수술이나 침습성 탐침을 필요로하지 않고 살아있는 동물의 두뇌에 깊이 파고들 수있는 방법을 가지고 있습니다.
MIT 팀은 어떻게 했습니까?
여기서 화학, 물리학 및 자성 MRI 기술에 대한 이해가 발견에서 중요한 역할을합니다.
자기 공명 영상은 신체의 양성자 (양전하 원자 입자)를 조작하여 작동합니다. 인체는 대부분 물이며 화학적 인 식은 H2O (하나의 산소 원자에 결합 된 2 개의 수소 원자)입니다. 성인의 평균 체형은 물 약 60-70 %, 어린이는 75 %입니다. 인체가 강력한 자기장에 놓이면 인체의 수소 원자 각각의 중심에있는 양성자가 같은 방향으로 정렬됩니다.
짧은 파열의 전파가 신체의 목표 부위에 전달되어 그 과정에서 양성자의 정렬을 방해합니다. 전파가 정지 된 후 양성자의 위치에 대한 정보와 다양한 유형의 조직에서의 조직 유형 양성자를 포함하는 무선 신호를 재배 향하는 양성자는 특유의 신호로 다양한 속도로 재 배열됩니다. 이미지에서 양성자 신호.
이미지의 품질을 높이려면 더 높은 명암비가 필요합니다. 금속 원소의 화학 조영제는 MRI 이미지를 향상시키기 위해 킬 레이터와 함께 사용됩니다. 킬 레이터는 금속이 안전 조치로 인체에 침전되는 것을 막기위한 바인더 역할을합니다.
MIT의 연구원 솔루션의 핵심은 뉴런의 세포 벽을 관통 할 수있는 지표를 만들고 세포 내부의 칼슘 농도에 기반한 자기 공명 영상으로 신호를 생성 할 수있는 신호를 생성한다는 것입니다.
MIT의 연구진은 망간 (금속)과 유기 화합물로 이루어진 조영제와 금속 이온에 결합을 형성 할 수있는 칼슘 킬 레이터 (calcium chelator)의 조합을 사용하여 칼슘 의존성 분자 MRI를위한 세포 투과성 칼슘 센서를 만들었다.
뉴런이 쉬고 칼슘 농도가 상대적으로 낮 으면 칼슘 킬 레이터가 망간과 화학 결합을 형성합니다.
그러나 뉴런이 흥분되고 세포 내부의 칼슘 농도가 현저하게 클 때 망간과의 칼슘 킬 레이터의 결합이 방출되어 칼슘과의 결합을 형성합니다.
셀 안의 망간이 증가하면 콘트라스트가 증가하여 MRI 이미지의 밝기가 증가합니다. 팀의 센서는 이러한 변경 사항을 식별하고 모니터링 할 수 있습니다.
왜이 발견이 중요한가?
연구자들은 정밀 신경 신경 과학 연구를 가능하게하는 유용성을 창조해 냈습니다. 기능성 MRI (fMRI)를 통해 뇌의 혈류 변화를 추적하는 대신 과학자들은 이제 세포 내부에서 발생하는 신호를 측정 할 수있게되었고, 이는 더 정확한 수준의 순서입니다.
뇌 기능이 어떻게 작용하는지에 대한 정확한 메커니즘, 즉 블랙 박스. 뇌 내부의 깊은 내면을 들여다 볼 수있는 방법이 필요합니다.
신경 과학은 다른 많은 분야에 영향을 미치는 과학 연구의 중요한 영역입니다. 그것은 심리학, 생화학 약리학, 세포학, 분자 생물학, 수학적 모델링, 발달 생물학 및 해부학을 통합하는 생물학의 종합 분야입니다.
신경 과학의 발견은 의학, 생명 공학, 의약품 및 기술 발전으로 이어집니다. 예를 들어, 인공 지능 (AI)의 최근 호황은 주로 신경 네트워크 계층과 노드 (뉴런과 유사)와 같은 구조적 요소로 구성된 기계 학습 방법 인 깊은 학습에 기인합니다.
세계 인구 통계학은 변화하고 있으며 뇌 및 신경계에 대한 연구 인 신경 과학에 중점을두고 있습니다. 유엔의 추정에 따르면 2050 년까지 60 세 이상 인구가 아프리카를 제외한 전세계 모든 지역 인구의 25 % 이상을 차지할 것이라고한다.
연령과 관련된 질병과 장애는 세계 인구의 평균 연령이 증가함에 따라 증가하는 문제입니다. 노인들에게 공통적 인 정신 건강 문제는 치매, 알츠하이머 병, 파킨슨 병, 발작, 양극성 장애, 정신 분열병, 우울증, 불안, ALS (루게릭 병) 및인지 장애를 포함합니다. 이것은 성장하는 문제를 해결하기 위해 신경 과학 연구에 대한 더 큰 필요성을 강조합니다.
뇌와 관련하여 많은 의문점이 있습니다. 수면, 꿈 또는 전신 마취를 할 때 우리의 두뇌는 어떻게 될까요? 지각의 신경 기초는 무엇입니까? 뇌는 다양한 분산 된 감각 입력으로부터 어떻게 하나의 의식적인 경험을 형성합니까? 의식 자체의 본질은 무엇입니까? 살아있는 뇌에서 뉴런의 내부 작용을 이해하는 것은 인간의 상태를 개선하고 인류를 난처하게하는 가장 큰 신비의 일부에 대한 답을 도울 미래의 해결책으로 이어질 수 있습니다.
그렇기 때문에 뇌의 뉴런의 세포 내 활동을 비 침습적으로 파악하는 능력이 인류 자체의 미래에 커다란 영향을 미치는 과학적 발전을 이끌 수있는 방법입니다.
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참고 문헌
Barandov, Ali, Bartelle, Benjamin B., Williamson, Catherine G., Loucks, Emily S., Lippard, Stephen J., Jasanoff, Alan. “망간 기반 MRI 조영제를 사용하여 세포 내 칼슘 이온을 감지합니다.” Nature Communications. 2019 년 2 월 22 일
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