1차 운동 피질의 첫 번째 세포 지도, "뇌의 구조, 기능 및 질병에 대한 이해의 보물창고"

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-10-13 08:52:47
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* 인간의 뇌는 수조 개의 연결 고리로 연결된 1600억 개 이상의 세포로 구성돼
* 2013년 버락 오바마 당시 미국 대통령, 전체 인간의 뇌를 지도화하는 것을 목표로 주요 신경과학 연구 프로젝트인 Brain Initiative를 시작
* BICCN(Cell Census Network of the Brain Initiative)의 첫 번째 주요 결과 발표
* 궁극적으로 신경 및 신경 정신 질환에 대한 새로운 치료법 개발

운동 피질의 첫 번째 세포 지도
매핑은 뇌의 구조, 기능 및 질병에 대한 이해를 향상 시킨다.


뇌에는 어떤 종류의 세포가 있으며 그 기능은 무엇이며 어떻게 함께 작동할까?
연구원들은 이제 이 질문에 그 어느 때보다 더 자세하게 답변했다. 전문 잡지 "Nature"에서 그들은 우리의 움직임을 제어하는 ​​뇌 영역인 포유류의 운동 피질에 대한 지도를 제시했다. 데이터는 생쥐, 원숭이 및 인간에 대한 광범위한 연구에서 나온 것이다. 그들은 뇌에 대한 더 깊은 이해를 위한 기초를 제공하고 또한 신경 질환에 대한 새로운 치료법을 개발하는 데 도움이 될 수 있다. 

▲ 이 그래픽은 운동 피질의 다양한 유형의 뉴런의 예를 보여준다.

인간의 뇌는 수조 개의 연결 고리로 연결된 1600억 개 이상의 세포로 구성돼 있다. 세포가 서로 정확히 어떻게 상호 작용하는지, 어떤 기능을 지니고 있고 어떤 유형이 있는지는 아직 충분히 이해되지 않고 있다. 2013년 버락 오바마 당시 미국 대통령은 전체 인간의 뇌를 지도화하는 것을 목표로 하는 주요 신경과학 연구 프로젝트인 Brain Initiative를 시작했다.

먼저 부분을 이해한 다음 전체 시스템을 이해

이제 BICCN(Cell Census Network of the Brain Initiative)의 연구원들이 첫 번째 주요 결과를 발표했다. 그들은 포유류의 전체 1차 운동 피질의 지도를 작성했다. 이를 위해 그들은 쥐, 마모셋 원숭이 그리고 인간의 뇌에서 샘플을 조사했다. 개별 세포 유형을 정의하기 위해 그들은 다양한 방법을 사용해 세포의 수많은 특성을 분석했다. 즉 세포에 있는 모든 활성 유전자의 완전한 세트, 유전자가 조절되는 방식을 정의하는 후성 유전적 패턴, 세포의 모양과 전기적 특성, 다른 세포와의 연결.
▲ 그림 3: Patch-seq에 의한 마우스 MOp 뉴런의 전사체 및 형태-전기적 특성 사이의 일치 및 L5 ET 뉴런의 종간 비교. 출처: 포유류의 일차 운동 피질의 다중 모드 세포 인구 조사 및 지도, 관련논문 A multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex)

"시스템이 어떻게 작동하는지 이해하려면 먼저 해당 부분에 대한 개요를 작성해야 한다." 컨소시엄 회원인 워싱턴에 있는 Allen Institute for Brain Science의 쳉홍귀(Hongkui Zeng)의 말이다. “그런 다음 개별 부품이 하는 일을 이해하고 전체 시스템이 작동하는 방식을 이해하기 위해 부품을 결합해야 한다. 그것이 바로 우리가 뇌를 갖고 하는 일이다.”

계층적, 유동적, 보존적

첫 번째 단계로, 과학자들은 이 뇌 영역이 모든 포유류에서 유사하기 때문에 일차 운동 피질에 초점을 맞췄다. 실제로 쥐에서 원숭이, 인간에 이르기까지 많은 세포 유형이 진화적으로 보존되어 있음이 확인됐다.

연구원들은 “진화적 연속성은 기능적 중요성에 대한 강력한 증거다. 쥐, 원숭이 그리고 인간 세포 유형의 입증된 일치성은 이러한 보존된 유형이 포유류 및 훨씬 더 먼 관련 종에서 피질 회로 및 기능에서 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다”고 말했다. 

▲ 마우스의 1차 운동 피질에 대한 세포 분류.

© Allen Institute for Brain Science



그들은 또한 세포 유형이 클래스와 하위 클래스로 계층적으로 구성되어 있음을 발견했다.
연구원에 따르면 정확히 몇 개의 하위 클래스가 있는지는 실험 방법에 따라 다르다. 식별할 수 있습니다. 세포 속성의 수준을 개별적이고 일관된 세포 유형 그룹으로 적절하게 나누지 않는다”고 기술했다.

통계적 방법에 따라 수십에서 100가지 이상의 서로 다른 세포 유형이 있다.
"이것은 고해상도와 다양한 방법으로 현재까지 이러한 세포 유형에 대한 가장 포괄적인 설명이다"고 공동 저자인 버클리 캘리포니아 대학의 더크 호크마이어(Dirk Hockemeyer)가 말했다.
▲ 그림 6: Mop-ul 뉴런 유형의 전역 배선도 및 해부학적 특성. 출처: 포유류의 일차 운동 피질의 다중 모드 세포 인구 조사 및 아틀라스, 관련논문 A multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex)

미래 연구를 위한 보물창고

저자의 관점에서, 세포 유형의 매핑은 뇌의 기능과 질병에 대한 더 나은 이해를 위한 토대를 마련했다. Brain Initiative의 John Ngai 이사는 "인간 뇌 질환에 대한 효과적인 치료법을 개발하는 데 있어 우리가 가진 많은 한계 중 하나는 어떤 세포와 연결이 특정 질병에 의해 영향을 받는지 충분히 모른다는 것이다"고 말했다.

"뇌를 구성하는 세포 유형에 대한 자세한 정보는 궁극적으로 신경 및 신경 정신 질환에 대한 새로운 치료법 개발을 가능케 할 것이다." 다른 종 간의 비교는 또한 사람의 신경 정신 질환과 관련하여 각 경우에 적합한 모델 유기체를 찾는 데 도움이 될 수 있다.

네이처에도 게재된 첨부 기사에서 바젤 대학의 신경과학자 실비아 아르버(Silvia Arber)는 "BICCN 간행물은 미래의 발견을 위한 진정한 보물창고다. 특히 주목할 만한 것은 운동 피질이 다양한 형태의 움직임을 제어하고 조절하는 데 어떻게 도움이 되는지 방법에 대한 자세한 이해로 이어지는 연구다”고 언급했다.
(Nature, 2021, doi: 10.1038/s41586-021-03950-0)

출처: NIH/National Institute of Mental Health, Allen Institute, University of California – Berkeley

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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