TD Drive: 행동하는 쥐와 잠자는 쥐의 다중 영역 전기생리학적 기록을 위한 파라메트릭 오픈 소스 임플란트
2024년 4월 26일
여기에서 우리는 현재 최대 10개의 분산된 뇌 영역에서 대칭적인 양측 와이어 전극 기록이 가능한 TD Drive라는 독특한 쥐용 3D 프린팅 가능한 임플란트를 소개합니다.
우리의 연구 목표는 기억 처리의 기초가 되는 신경 메커니즘을 더 잘 이해하는 것이며, 특히 다양한 학습 시점과 수면 중 특정 뇌 영역 간의 상호 작용을 실시간으로 조사하는 것입니다. 이와 관련하여, 우리는 과제 및 휴식 시간 동안 자유롭게 움직이는 쥐의 여러 뇌 영역에 걸친 신경 활동을 동시에 볼 수 있는 새로운 드라이브 임플란트를 개발했습니다. 행동하는 동물의 뇌 활동을 기록하기 위해 연구자들은 일반적으로 수십 개의 개별적으로 움직일 수 있는 와이어 전극이 있는 자체 제작 복합 임플란트를 사용합니다.
그러나 이러한 장치를 성공적으로 사용하고 이식하려면 수년간의 교육이 필요할 수 있습니다. 우리의 드라이브는 구축하기 쉽고 전문가의 손이 필요하지 않으므로 이러한 종류의 연구에 더 쉽게 접근할 수 있습니다. TD 드라이브는 다른 복잡한 설계와 대조되는 세 가지 아이디어를 기반으로 설계되었습니다.
여러 뇌 영역을 양측으로 기록할 수 있어야 하고, 비교적 쉽고 빠르게 구축할 수 있어야 하며, 3D 설계에 대한 고급 지식이 없어도 연구자가 스스로 설계를 조정할 수 있어야 합니다. 우리는 설치류가 간단한 행동 과제와 복잡한 행동 과제를 수행할 때 서로 다른 뇌 영역이 어떻게 상호 작용하는지 이해하는 것을 목표로 합니다. 학습과 다양한 약물은 수면 중 뇌 영역 간의 이러한 상호 작용에 어떤 영향을 미치며, 수면 중 이러한 상호 작용은 기억 능력과 어떤 관련이 있습니까?
개요
본 연구에서는 자유롭게 움직이는 쥐의 양측 와이어 전극 기록을 위해 제작이 용이한 새로운 3D 프린팅 임플란트인 TD Drive를 제시합니다. 본 연구의 목적은 다양한 행동 과제 및 수면 중에 여러 뇌 영역으로부터 기록함으로써 기억 처리와 관련된 신경 메커니즘에 대한 이해를 높이고, 이를 통해 연구 접근성을 향상시키는 것입니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 전기생리학
- 행동 연구
배경
- 메모리 프로세싱의 기저에 있는 신경 메커니즘은 아직 완전히 이해되지 않았습니다.
- 기존의 기록 장치들은 복잡하며 사용을 위해 광범위한 교육이 필요합니다.
- 본 연구의 목적은 신경 활동을 기록하는 과정을 간소화하는 것입니다.
연구 목적
- 학습 및 수면 중 뇌 영역 간의 상호작용을 조사하기 위함입니다.
- 연구자들이 더 쉽게 접근할 수 있는 기록 시스템을 구축하기 위함입니다.
- 학습 및 약물이 신경 상호작용에 미치는 영향을 연구하기 위함입니다.
사용된 방법
- 해당 플랫폼은 전극 기록을 위한 3D 프린팅 가능 임플란트를 포함합니다.
- 생물학적 모델은 자유롭게 움직이는 쥐를 사용하여 행동 중 기록이 가능합니다.
- 멀티오믹스 또는 대사 분석은 언급되지 않았습니다.
- 제작의 용이성에 중점을 둔 임플란트 조립에 관한 상세 지침이 제공되었습니다.
주요 결과
- 해당 임플란트를 통해 여러 뇌 영역에서 동시에 기록이 가능합니다.
- 과제 수행 및 휴식 중의 신경 활동을 실시간으로 관찰할 수 있습니다.
- 전기생리학 연구의 접근성이 향상되었음을 보여줍니다.
결론
- 본 연구는 신경 기록의 접근성 측면에서 상당한 진전을 보여줍니다.
- 이러한 결과는 기억 처리 및 신경 상호작용에 대한 이해를 향상시키는 데 기여합니다.
자주 묻는 질문
산업적 관련성 요약
자유롭게 행동하고 수면 상태에 있는 쥐의 여러 영역에서 동시에 전기생리학적 기록을 수행하는 것은 신경생물학 및 기억 연구에서 메커니즘 가설의 위험 요소를 제거하는 데 매우 중요합니다. TD Drive의 파라메트릭 오픈 소스 설계는 분산된 뇌 영역 전반에 걸쳐 확장 가능하고 재현 가능한 데이터 수집을 가능하게 하여, 중추신경계(CNS) 약물 개발의 초기 발견 및 타겟 검증을 지원합니다. 이러한 접근성과 적응성은 기술적 장벽을 낮추어, 더 넓은 포트폴리오 탐색과 사이트 간 표준화를 촉진합니다.
바이오 제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 타겟 검증
- 학습 및 기억 과제 수행 중 신경 회로 기능과 영역 간 연결성을 분석할 수 있습니다.
- 최대 10개 뇌 영역에 걸친 실시간 양측 기록을 통해 생물학적 리스크 감소(de-risking)를 지원합니다.
- 행동 및 약물학적 중재에 대한 역동적인 신경 반응을 포착하여 기능적 타겟 검증을 용이하게 합니다.
- 고해상도 다중 부위 데이터를 통해 CNS 타겟 선정의 예측 신뢰도를 높입니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 전임상 모델에서 정량적 전기생리학적 판독값을 생성하기 위해 검증되고 맞춤 설정 가능한 플랫폼을 제공합니다.
- 전극 배치와 기록 프로토콜을 표준화하여, 여러 연구와 팀 간의 재현성을 향상시킵니다.
- 새로운 뇌 영역이나 실험 패러다임에 빠르게 적응할 수 있도록 하여, 분석의 확장성과 플랫폼 재사용을 가능하게 합니다.
- in vivo에서 신경망 활동에 미치는 화합물의 효과를 신뢰성 있게 평가할 수 있도록 지원합니다.
중개 및 전임상 연구
- 전임상 신경 활성 측정을 질환 관련 행동 및 수면 패러다임과 일치시킵니다.
- 동일한 동물에서 다양한 행동 상태에 걸쳐 종단적 기록을 가능하게 함으로써 중개 연구의 연속성을 유지합니다.
- CNS 프로그램에 대해 강력한 다중 부위 신경 바이오마커를 제공함으로써 개발 진행 결정의 리스크를 줄입니다.
- 표준화된 오픈 소스 하드웨어를 통해 종 간 및 모델 간 비교를 용이하게 합니다.
파이프라인 및 워크플로우 통합
TD Drive는 설치류 모델에서 가설 기반의 신경 회로 분석, 정량적 스크리닝 및 중개 바이오마커 개발을 가능하게 함으로써, 발견 단계부터 전임상 단계까지의 연속적인 연구 과정에 통합됩니다.
- 발견 생물학: 다중 영역 동시 기록을 통해 메커니즘 가설 검증 및 경로 명확화를 지원합니다.
- 스크리닝: 화합물 및 중재 평가를 위해 재현 가능하고 정량적인 전기생리학적 결과물을 제공합니다.
- 분석: 실험 조건의 통계적 비교를 위한 고해상도 다중 사이트 신경 데이터를 제공합니다.
- 중개 연구: 신경 바이오마커 정렬을 통해 행동, 수면 및 약리학 연구를 연결합니다.
- 기업용 재사용: 다양한 CNS 연구 요구 사항에 맞게 조정 가능한 파라메트릭 오픈 소스 플랫폼을 제공합니다.
운영 및 기업 영향
- 과학적 가치: CNS 타겟 검증의 예측 신뢰도를 높이고 기전적 모호성을 줄입니다.
- 운용적 가치: 임플란트 조립 및 배치를 효율화하여 교육 및 기술적 장벽을 낮춥니다.
- 전략적 가치: 신경약리학 파이프라인에서 보다 정보에 기반한 go/no-go 결정과 자본 효율적인 포트폴리오 선별을 가능하게 합니다.
- 포트폴리오 영향: 견고하고 확장 가능한 데이터 생성을 통해 CNS 프로그램의 위험 조정 우선순위 설정 및 추진을 지원합니다.
구현 시 고려 사항
- 설치류 수술 및 전기생리학적 기록 기술에 대한 기본적인 전문 지식이 필요합니다.
- 3D 프린팅, 표준 실험실 도구 및 호환 가능한 기록 시스템을 사용할 수 있어야 합니다.
- 전극 배치 및 데이터 수집 프로토콜에 대한 팀 간 표준화가 요구됩니다.
- 파라메트릭 모델 조정을 통해 다양한 뇌 영역과 실험 설계에 적용 가능합니다.
- 임플란트의 수명과 신호 안정성은 동물의 행동 및 취급 방식에 따라 달라질 수 있습니다.
