시냅스 성형 커넥톰

 

 

이명을 치료하는 것은 단순히 귀를 다루는 것이 아니라,

뇌의 청각 경로를 치료하는 것​입니다.

청각 회로, 커넥톰, 시냅스 성형

본원이 가장 관심 가지고 있는 분야입니다.

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특히, 이명은 청각 시냅스

(신경 세포 간의 연결 부위)가 정상적으로

기능하지 못하는 것과 관련이 있습니다.

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따라서, 이명을 효과적으로 치료하기 위해서는

뇌의 청각 회로와 시냅스 성형을 이해​하는 것이

중요합니다. 본원에서는 이러한 커넥톰

연구에 집중하고 있습니다.

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*커넥톰 : Connectome

뉴런 간의 연결 상태를 나타내는 지도

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커넥토믹스(connectomics)란?

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커넥토믹스는 뇌 속 모든 뉴런의 연결 상태를

파악하고, 이를 바탕으로 뇌가 어떻게

작동하는지를 이해하려는 연구 분야입니다.

이는 뉴런의 연결이 어떻게 구성되어 있는지를

탐구하며, 뇌 연결망

(Brain network: 뉴런들이 서로 신호를 주고받는 경로)

을 통해 뇌 질환의 원인과 기전을

밝혀내는 데 도움이 됩니다.

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뇌를 전자 제품의 회로도처럼 완전히 파악할 수 있다면,

고장 난 부분이 어디인지 확인할 수 있을 것이라는

가정에서 시작된 연구입니다.

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과학자들은 더 작고 더 정밀한 수준으로

뇌 구조를 분석하고 있으며,

특히 시냅스를 자세히 들여다보는 것이 목표입니다.

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뇌 연결성 연구의 발전

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20세기 중반, 펜필드​는 호문쿨루스 뇌 지도(Homunculus brain map: 뇌의 특정 부위가

신체의 어느 부위와 연결되어 있는지를 나타낸 지도)

를 발표했습니다.

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이후 2000년대에 이르러 모든 뉴런의 연결성을 밝혀

종합적인 뇌 지도를 작성하려는 목표로

커넥토믹스가 등장하게 되었습니다.

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커넥톰은 지문처럼 사람마다 다르게 나타나며,

뇌 속 뉴런들의 연결 상태를 기반으로

다양한 질병을 분석할 수 있게 해줍니다.

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확산 텐서 영상기술을 통해 뇌의 백질 신경망

(White matter network :

뇌 속에서 정보를 전달하는 신경 섬유의 집합체)을

고해상도로 관찰하는 것이 가능해졌습니다.

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이는 뇌 부위 간의 연결 상태를 분석하고,

병리적 변화를 이해하는 데 매우 유용한 도구입니다.

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이 기술은 거시적으로 뇌의 연결성을

파악할 수 있으며, 신경망의 병리적 변화를

확인하는 데 중요한 역할을 합니다.

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예쁜꼬마선충(C.elegans)과

커넥톰 연구

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▲ 예쁜꼬마선충

사진출저 : 위키피디아

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가장 작은 유기체인 *예쁜꼬마선충(C.elegans)*은

약 300개의 뉴런과 7,000개의 시냅스 연결을

가지고 있으며, 신경망 연구에 주로 사용됩니다.

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1.5mm 크기의 이 유기체는 뇌의 연결성을

이해하기 위한 연구에 중요한 자료를 제공합니다.

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예쁜꼬마선충의 뇌를 연구하기 위해 사용된

기술 중 하나는 3D 전자현미경 입니다.

이 기술은 얇게 자른 뇌 단면을 연속적으로 촬영하여

시냅스 수준의 연결을 3차원으로

재구성하는 방법입니다.

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이 기술을 통해

연구자들은 ​뉴런 간의 미세한 연결까지도

분석할 수 있게 되었습니다.

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포유류 및 인간의 커넥톰 연구

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2014년에는 쥐의 커넥톰 지도가 발표되었고,

이후 포유류와 인간으로 연구가 확장되었습니다.

그러나 쥐의 커넥톰이 완성되는 데에도

약 20년이 걸릴 것으로 예상되며,

인간 뇌의 경우는 그보다 훨씬 더 복잡하고

방대한 양의 데이터를 필요로 합니다.

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인간의 뇌는 쥐보다 약 2,000배 더 크기 때문에,

전자현미경을 통한 이미징은 매우 어려운 과제입니다.

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특히, 빅 데이터 처리 기술이 뒷받침되지 않는다면

이러한 연구는 실현 가능성이 낮습니다.

현재 사용되는 MRI의 공간 해상도는

밀리미터(mm) 단위이지만,

전자현미경의 해상도는 나노미터(nm) 단위​입니다.

이 두 해상도 사이의 중간 단위를

분석할 수 있는 기술도 필요합니다.

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인간 대뇌 피질 지도

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청색은 위아래, 녹색은 앞뒤,

적색은 좌 우의 연결 방향을 나타냅니다.

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2016년, 인간 대뇌 피질을 좌우 각각 ​180개의 구획

으로 나눈 정밀한 뇌 지도가 발표되었습니다.

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대뇌 피질은 인지, 문제 해결, 의식적 사고를

담당하는 부위입니다.

연구자들은 MRI와 기능성 자기 공명 영상(fMRI)

기술을 통해 대뇌 피질의 구조와 기능을

데이터베이스화하였고, 이 데이터는 대뇌 피질이

담당하는 영역 간의 연결성을 밝히는 데

중요한 역할을 합니다.

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특히 머신러닝과 같은 AI 기술을 활용하여

개인별 대뇌 피질의 구조적 특성을 보정하고,

각 구획의 기능과 연결성을

분석하는 데 사용되었습니다.

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커넥톰의 장점과 신경망 연결 장애

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뇌 질환의 대부분은 특정 뇌 부위의

기능적 손상이나 신경망 연결의 문제로 발생합니다.

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예를 들어, 자폐증은 피곡과 전대상 피질간의

연결 문제로 인해 사회적 상호작용에

어려움을 겪습니다.

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조현병에서는 뇌의 전두엽과 측두엽 간의

연결망이 약해지는 것이 확인되었습니다.

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이러한 신경망 연결 장애를 분석하는 데

커넥톰 연구는 중요한 도구가 될 수 있습니다.

다양한 인간 뇌 배선도를 상호 비교하면

각기 다른 질병 메커니즘을 밝히고,

이를 바탕으로 개인 맞춤형 치료가 가능해질 것입니다.

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결론

커넥톰 연구는 뇌의 연결망을 분석하여

뇌 질환의 원인을 밝히고, 맞춤형 치료 개발로

이어질 가능성을 가지고 있습니다.

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특히, 이명과 같은 청각 신경 문제를

해결하기 위해서는 뇌의 신경망을 정확하게

파악하는 것이 필수적입니다.

이를 통해 개인 맞춤형 이명 치료법을 개발하고,

뇌 질환을 더 정밀하게 치료하는 데

기여할 수 있을 것입니다.

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