신경 생리학 소개

신경 생리학 분야는 신경계가 어떻게 작동하고 신경계의 기능 장애가 어떻게 질병으로 이어질 수 있는지에 대한 통찰력을 제공합니다. 생리학은 유기체와 그 부분이 어떻게 기능하는지에 대한 연구입니다. 신경 생리학은 뇌, 척수, 말초 신경 및 감각 기관을 포함하는 신경계의 기능에 대한 연구로 정의할 수 있습니다.

신경생리학자들은 기능계, 회로, 단일 뉴런 및 뉴런 구획을 포함하는 여러 수준의 조직에서 신경계에 접근합니다.

이 비디오는 신경 생리학의 간략한 역사를 제시하고, 신경 생리학자가 묻는 주요 질문을 소개하고, 몇 가지 눈에 띄는 방법을 설명하고, 마지막으로 이 분야의 응용 프로그램에 대해 논의합니다.

신경 생리학의 역사에서 몇 가지 획기적인 연구를 검토하는 것으로 시작하겠습니다.

신경계의 특성은 적어도 기원전 1600년 이집트인들이 뇌를 언급하는 가장 오래된 문헌의 초안을 작성한 이래로 인류를 사로잡았습니다.

현대로 건너 오서, 1771년, 루이지 갈바니(Luigi Galvani)는 전기 충격이 죽은 개구리 근육을 경련하게 만들 수 있다는 것을 보여주었습니다. 그는 이러한 현상이 ‘동물의 전기’ 때문이라고 주장했다.

1840년대가 되어서야 에밀 뒤 부아-레이몽(Emil Du Bois-Reymond)은 동물의 전기가 실제로 신경 충동 또는 “활동 전위”라는 것을 증명할 수 있었습니다.

1924년으로 넘어가서, 한스 베르거(Hans Berger)는 오늘날의 신경생리학자들에 의해 여전히 널리 사용되는 기술인 뇌파검사(EEG)를 통해 인간의 전체 뇌 활동의 전기적 특성을 기록했습니다.

그 후 1939년에 앨런 호지킨(Alan Hodgkin)과 앤드류 헉슬리(Andrew Huxley)는 뉴런 세포막이 하전 입자가 오징어거대축삭돌기에서 예측 가능한 방식으로 들어오고 나갈 수 있게 한다는 것을 알아냈습니다.

1951년에 존 에클스 경은 정보가 한 뉴런에서 다른 뉴런으로 전달되는 한 가지 중요한 방법을 알아냈습니다. 그는 한 뉴런의 전기 신호가 두 번째 뉴런에 의해 수신되는 화학 신호로 변환되는 화학 시냅스에 대해 설명했습니다.

그 후 1976년 Erwin Neher와 Bert Sakmann은 흥분성 세포의 막을 정교하게 연구할 수 있는 방법을 제공하는 패치 클램프 기술을 개발했습니다.

보다 최근인 2005년에 Karl Diesseroth, Ed Boyden 및 Feng Zhang은 “opsins.?”라고 하는 단백질 계열에 속하는 빛에 민감한 채널을 발현하도록 뉴런을 유전적으로 조작하여 뉴런의 전기적 특성을 제어하기 위해 광유전학이라는 혁신적인 전략을 고안했습니다. 표적 광선으로 이러한 채널을 활성화함으로써 이전에는 불가능했던 정밀도로 특정 뉴런을 여기시키거나 억제할 수 있어 뉴런 회로를 세부적으로 조작할 수 있습니다.

이제 역사적 하이라이트를 검토했으므로 오늘날 신경 생리학자들이 묻는 몇 가지 근본적인 질문을 검토해 보겠습니다.

우선, 일부 연구자들은 개별 뉴런의 세포 및 분자 수준 기능이 어떻게 조절되는지에 초점을 맞춥니다.

예를 들어, 그들은 수상돌기의 특정 수용체가 시냅스 후 반응에 어떻게 기여하는지 연구할 수 있으며, 이는 활동 전위로 이어질 수 있습니다. 그들은 또한 시냅스에서 흥분-분비 결합을 조사할 수 있는데, 이는 신경 흥분과 시냅스전 기계가 신경 전달 물질의 방출에 어떻게 영향을 미치는지에 관심이 있음을 의미합니다.

다른 신경생리학자들은 뉴런이 수지상 가지에서 받은 정보를 어떻게 처리하는지 묻습니다. 그들은 여러 기술을 사용하여 단일 뉴런의 축삭돌기, 수상돌기 및 수지상 가시를 동시에 조사할 수 있습니다.

다른 신경생리학자들은 뉴런 회로가 정보를 처리하는 방법을 연구합니다. 회로는 일반적으로 제어한다고 생각되는 단순한 행동 또는 자극 반응의 맥락에서 연구됩니다.

일부 신경생리학자들은 신경계의 넓은 영역에 걸친 활동 패턴을 관찰합니다. 그들은 피험자가 무엇을 하고 있는지에 따라 노란색과 빨간색으로 표시된 뇌 활동이 뇌 영역 사이에서 어떻게 이동하는지 질문할 수 있습니다.

보시다시피 신경생리학자는 뉴런의 단일 분자부터 뇌의 광범위한 활동에 이르기까지 다양한 과학적 질문을 다룰 수 있습니다.

이제 신경 생리학자가 묻는 몇 가지 주요 질문에 대한 느낌을 얻었으므로 이에 답하는 데 사용되는 몇 가지 눈에 띄는 방법을 살펴보겠습니다.

패치 클램핑은 세포 및 분자 수준에서 뉴런을 조사하는 데 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다. 약간의 흡입을 사용하여 미세한 유리 모세관 전극을 뉴런에 밀봉하여 전체 세포 흥분성을 내부적으로 모니터링할 수 있습니다. 또한 세포에서 작은 멤브레인 패치를 절제하여 약리학적 조작을 위해 원형질막의 세포질 측면에 접근할 수 있는 패치 클램프 구성도 있습니다.

칼슘 이미징은 전체 뉴런에 대한 흥분을 조사하는 데 사용할 수 있습니다. 뉴런에는 세포 내의 칼슘 농도 상승에 반응하여 형광을 변화시키는 염료가 함유되어 있습니다. 세포 내 칼슘에는 많은 기능이 있지만 칼슘 이미징은 이 예시 뉴런에서 볼 수 있듯이 활동 전위의 간접적인 측정으로 사용할 수 있습니다.

신경 회로를 연구하는 데 사용되는 기술은 한 번에 많은 뉴런을 모니터링할 수 있어야 합니다. 접촉이 많은 다중 전극 어레이를 사용하는 것은 여러 뉴런을 동시에 기록하는 데 사용되는 한 가지 방법입니다.

신경 회로는 또한 광유전학을 사용하여 조사할 수 있으며, 여기서 뉴런은 빛에 민감한 이온 채널을 발현하도록 수정됩니다. 빛에 노출되면 이러한 채널이 열리고 이온 선택성에 따라 뉴런을 억제하거나 자극할 수 있으며, 이는 특정 회로에서 뉴런이 어떤 역할을 하는지와 해당 회로에 의해 제어되는 행동 반응에 대한 통찰력을 제공합니다.

더 넓은 범위에서 활동 패턴을 시각화하기 위해 다양한 기술이 사용됩니다. 뇌파 검사 또는 EEG는 두개골의 전극을 사용하여 전체 뇌의 전기 활동을 모니터링합니다.

두 번째 방법은 전기 피질 조영술(ECoG)인데, 이 역시 전극이 뇌 표면에 놓여 있다는 점을 제외하고는 전기 활동을 모니터링합니다. 이 방법은 일반적으로 간질 환자에서 수행되는 것과 같은 임상 절차와 함께 수행됩니다. 또는 기능적 근적외선 분광법으로 알려진 기술은 적외선을 사용하여 신경 활동의 상관 관계로 산소 사용을 모니터링하며, 이는 행동 작업 중에 모니터링 할 수 있습니다.

이제 몇 가지 일반적인 연구 접근 방식에 익숙해졌으므로 신경 생리학 연구의 몇 가지 응용 프로그램을 살펴보겠습니다.

이 분야의 주요 목표 중 하나는 간질과 같은 신경계 기능 장애의 원인과 치료법을 파악하는 것입니다. 한 가지 접근법은 발작을 일으키는 뇌의 기능 장애 부위를 국소화하기 위해 환자의 뇌 활동을 전기 피질 조영술로 기록하기 위한 전극을 이식하는 것입니다.

신경생리학의 흥미로운 새로운 응용 분야는 뇌-기계 인터페이스의 개발입니다. 이러한 인터페이스에서는 피험자가 화면에서 커서를 움직이는 것과 같은 작업을 수행하는 것에 대해 생각하는 동안 뇌 활동이 모니터링됩니다. 활동은 커서에 대한 명령 신호로 컴퓨터에 공급됩니다. 본질적으로 이것은 생각을 사용한 장치 제어입니다.

신경 생리학의 또 다른 응용 분야는 광유전학을 사용하여 신경 회로를 조사하는 것입니다. 유전자 조작 쥐의 뇌에 이식된 커플러에 연결된 광섬유 코드를 조립함으로써 이 연구자들은 정의된 신경 회로를 자극하는 행동 결과를 직접 시각화할 수 있습니다.

당신은 방금 JoVE의 신경 생리학 소개와 신경계에 대한 연구를 보았습니다. 우리는 역사적 하이라이트, 신경생리학자가 제기한 주요 질문 및 그들이 사용하는 몇 가지 기술을 검토했습니다.

시청해 주셔서 감사합니다!