지도를 만들기 위해 우리는 시냅스에 결합하여 가시적으로 만드는 형광 단백질을 생성하는 뉴런을 가진 제브라피쉬를 조작했습니다. 그런 다음 형광을 사용하여 이미지를 생성하는 표준 장치보다 훨씬 적은 양의 레이저 광을 사용하는 맞춤형 현미경으로 시냅스를 이미지화했다. 현미경이 뉴런을 덜 손상시키기 때문에 우리는 구조와 기능을 잃지 않고 시냅스를 이미지화할 수 있었다.
놀랍게도, 기억 형성 과정에서 발생한 뉴런 간의 기존 연결 강도의 변화는 작고 새로운 기억을 형성하지 않은 대조군 물고기의 변화와 구별할 수 없었다. 이것은 연상기억의 형성이 시냅스의 형성과 소실을 수반하지만, 기존에 생각했던 것처럼 반드시 기존 시냅스의 강도를 변화시키는 것은 아니라는 것을 의미한다.
기억 형성 전후의 3D 시냅스 지도를 비교했을 때, 뉴런은 한 뇌 영역인 anterolateral dorsal pallium에서 새로운 시냅스를 발달시킨 반면, 뉴런은 두 번째 영역인anteromedial dorsal pallium에서 주로 시냅스를 상실함을 발견했다. 이것은 다른 뉴런이 연결을 파괴하는 동안 새로운 뉴런이 짝을 이룬다는 것을 의미한다. 이전 실험은 물고기의 등쪽 팔륨이 공포 기억이 저장되는 포유류의 편도체에 해당할 수 있음을 보여준다.
이전에 연구자들은 뉴런에서 생성된 전기 신호를 기록하는 데 중점을 두었딘. 이러한 연구는 기억이 형성된 후 뉴런이 특정 자극에 대한 반응을 변화시킨다는 것을 확인했지만, 이러한 변화를 일으키는 원인을 정확히 찾아내지는 못했다.
새로운 기억을 형성할 때 뇌가 물리적으로 어떻게 변하는지 연구하기 위해 기억 형성 전후에 제브라피시 시냅스의 3D 지도를 만들었고, 제브라피쉬가 인간처럼 기능하는 뇌를 가질 만큼 충분히 크지만 살아있는 뇌를 엿볼 수 있을 만큼 작고 투명하기 때문에 주제로 선택된다.
물고기의 새로운 기억을 유도하기 위해 우리는 고전적 조건화라는 학습 과정을 사용하여, 동물을 두 가지 다른 유형의 자극에 동시에 노출시킨다.
반응을 일으키지 않는 중립적인 자극과 동물이 피하려고 하는 불쾌한 자극이다. 이 두 가지 자극이 충분히 자주 함께 짝을 이루면 동물은 마치 그것이 불쾌한 자극인 것처럼 중성 자극에 반응할 것이며, 이는 이 자극을 함께 연결하는 연상 기억을 형성했음을 나타낸다.
불쾌한 자극으로 우리는 적외선 레이저로 물고기 머리를 부드럽게 가열하고, 물고기가 꼬리를 흔들었을 때 우리는 그것을 탈출을 시도하고 있다는 표시로 받아들였다. 물고기가 중성 자극에 노출되었을 때 불이 켜지고 꼬리를 흔드는 것은 물고기가 이전에 불쾌한 자극을 만났을 때 일어난 일을 기억한다는 의미한다.
뇌에서 컴퓨터 메모리에 이르는 모든 저장 장치는 물리적 속성을 변경하여 정보를 저장한다.
과연, 시냅스를 제거하면 기억이 제거될 수 있습니까?
뇌 세포 기능을 관찰하는 우리의 새로운 방법은 기억이 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 더 깊은 이해의 문을 열 수 있을 뿐만 아니라 PTSD 및 중독과 같은 신경 정신 장애를 치료하기 위한 잠재적인 길을 열 수 있다.
새로운 뇌 영상 기술은 기억이 뉴런 사이의 연결에 저장되어 있음을 시사한다.
뇌에서 컴퓨터 메모리에 이르는 모든 저장 장치는 물리적 속성을 변경하여 정보를 저장합니다. 130여 년 전 선구적인 신경과학자 산티아고 라몬 이 카할(Santiago Ramón y Cajal)은 뇌가 뉴런 사이의 연결 또는 시냅스를 재배열하여 정보를 저장한다고 처음 제안했습니다.
그 이후로 신경 과학자들은 기억 형성과 관련된 물리적 변화를 이해하려고 노력했습니다. 그러나 시냅스를 시각화하고 매핑하는 것은 어렵습니다. 우선, 시냅스는 매우 작고 촘촘하게 뭉쳐져 있습니다. 그들은 표준 임상 MRI가 이미지화할 수 있는 가장 작은 물체보다 약 100억 배 작습니다. 또한 쥐의 뇌에는 연구자들이 일반적으로 뇌 기능을 연구하는 데 사용하는 약 10억 개의 시냅스가 있으며 주변 조직과 마찬가지로 불투명하거나 반투명한 색상입니다.
그러나 동료들과 내가 개발한 새로운 영상 기술을 통해 기억 형성 동안 시냅스를 영상화할 수 있었습니다. 우리는 새로운 기억을 형성하는 과정이 뇌 세포가 서로 연결되는 방식을 바꾼다는 것을 발견했습니다. 뇌의 일부 영역에서 더 많은 연결이 이루어지면 다른 영역에서는 연결이 끊어집니다.
물고기의 새로운 기억 매핑
이전에 연구자들은 뉴런에서 생성된 전기 신호를 기록하는 데 중점을 두었습니다. 이러한 연구는 기억이 형성된 후 뉴런이 특정 자극에 대한 반응을 변화시킨다는 것을 확인했지만, 이러한 변화를 일으키는 원인을 정확히 찾아내지는 못했습니다.
새로운 기억을 형성할 때 뇌가 물리적으로 어떻게 변하는지 연구하기 위해 기억 형성 전후에 제브라피시 시냅스의 3D 지도를 만들었습니다. 우리는 제브라피쉬가 인간처럼 기능하는 뇌를 가질 만큼 충분히 크지만 살아있는 뇌를 엿볼 수 있을 만큼 작고 투명하기 때문에 주제로 선택했습니다.
물고기의 새로운 기억을 유도하기 위해 우리는 고전적 조건화라는 학습 과정을 사용했습니다. 그것은 동물을 두 가지 다른 유형의 자극에 동시에 노출시키는 것을 포함합니다. 반응을 일으키지 않는 중립적인 자극과 동물이 피하려고 하는 불쾌한 자극입니다. 이 두 가지 자극이 충분히 자주 함께 짝을 이루면 동물은 마치 그것이 불쾌한 자극인 것처럼 중성 자극에 반응할 것이며, 이는 이 자극을 함께 연결하는 연상 기억을 형성했음을 나타냅니다.
불쾌한 자극으로 우리는 적외선 레이저로 물고기 머리를 부드럽게 가열했습니다. 물고기가 꼬리를 흔들었을 때 우리는 그것을 탈출을 시도하고 있다는 표시로 받아들였습니다. 물고기가 중성 자극에 노출되었을 때 불이 켜지고 꼬리를 흔드는 것은 물고기가 이전에 불쾌한 자극을 만났을 때 일어난 일을 기억한다는 의미입니다.
파블로프의 개는 종과 음식 사이에 연상 기억을 형성했기 때문에 종을 울리면 개가 침을 흘리는 고전적 조건화의 가장 잘 알려진 예입니다. (릴리 친/플리커, CC BY-NC-ND)
지도를 만들기 위해 우리는 시냅스에 결합하여 가시적으로 만드는 형광 단백질을 생성하는 뉴런을 가진 제브라피쉬를 조작했습니다. 그런 다음 형광을 사용하여 이미지를 생성하는 표준 장치보다 훨씬 적은 양의 레이저 광을 사용하는 맞춤형 현미경으로 시냅스를 이미지화했습니다. 현미경이 뉴런을 덜 손상시키기 때문에 우리는 구조와 기능을 잃지 않고 시냅스를 이미지화할 수 있었습니다.
놀랍게도, 기억 형성 과정에서 발생한 뉴런 간의 기존 연결 강도의 변화는 작고 새로운 기억을 형성하지 않은 대조군 물고기의 변화와 구별할 수 없었습니다. 이것은 연상기억의 형성이 시냅스의 형성과 소실을 수반하지만, 기존에 생각했던 것처럼 반드시 기존 시냅스의 강도를 변화시키는 것은 아니라는 것을 의미한다.
기억 형성 전후의 3D 시냅스 지도를 비교했을 때, 뉴런은 한 뇌 영역인 전외측 등쪽 창백(anterolateral dorsal pallium)에서 새로운 시냅스를 발달시킨 반면, 뉴런은 두 번째 영역인 전내측 등쪽 창포(anteromedial dorsal pallium)에서 주로 시냅스를 상실함을 발견했습니다. 이것은 다른 뉴런이 연결을 파괴하는 동안 새로운 뉴런이 짝을 이룬다는 것을 의미했습니다. 이전 실험은 물고기의 등쪽 팔륨이 공포 기억이 저장되는 포유류의 편도체에 해당할 수 있음을 보여주었습니다.
Howard Hughes Medical Institute의 연구원들은 아기 제브라피쉬의 뉴런이 사물을 보고 움직이려고 할 때 발화하는 비디오를 캡처했습니다.
시냅스를 제거하면 기억이 제거될 수 있습니까?
뇌 세포 기능을 관찰하는 우리의 새로운 방법은 기억이 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 더 깊은 이해할 수 있을 뿐만 아니라, PTSD 및 중독과 같은 신경 정신 장애를 치료하기 위한 잠재적인 길을 열 수 있다.
연상 기억은 다른 유형의 기억보다 훨씬 강한 경향이 있다. 어제 점심으로 먹었던 것에 대한 의식적인 기억. 또한 고전적 조건화에 의해 유도된 연상 기억은 PTSD를 유발하는 외상성 기억과 유사한 것으로 생각됩니다. 그렇지 않으면 외상 당시 경험한 것과 유사한 무해한 자극이 고통스러운 기억의 회상을 유발할 수 있습니다. 예를 들어, 밝은 빛이나 시끄러운 소음은 전투의 기억을 불러일으킬 수 있습니다. 우리의 연구는 시냅스 연결이 기억에서 할 수 있는 역할을 보여주고 연관 기억이 다른 유형의 기억보다 더 오래 지속되고 더 생생하게 기억되는 이유를 설명할 수 있다.
현재 PTSD에 대한 가장 일반적인 치료법인 노출 요법은 환자를 무해하지만 자극을 유발하여 외상 사건의 기억을 억제하는 반복적인 노출을 포함합니다. 이론적으로 이것은 기억을 덜 고통스럽게 만들기 위해 뇌의 시냅스를 간접적으로 개조합니다. 노출 요법으로 일부 성공을 거두긴 했지만 환자는 재발하는 경향이 있습니다. 이것은 외상성 반응을 일으키는 근본적인 기억이 제거되지 않았음을 시사한다.
시냅스 생성과 손실이 실제로 기억 형성을 유발하는지 여부는 아직 알려지지 않았습니다. 우리 연구실에서는 뉴런을 손상시키지 않고 시냅스를 빠르고 정확하게 제거할 수 있는 기술을 개발했습니다. 우리는 유사한 방법을 사용하여 제브라피시 또는 생쥐에서 시냅스를 제거하여 이것이 연관 기억을 변경하는지 확인할 계획입니다.
[140,000명이 넘는 독자가 세상을 이해하기 위해 The Conversation 뉴스레터에 의존한다.
이러한 방법을 사용하면 PTSD 및 중독과 같은 파괴적인 조건의 기초가 되는 연상 기억을 물리적으로 지울 수 있었지만, 그러한 치료가 고려되기 전에 연관 기억을 인코딩하는 시냅스 변화를 더 잘 이야기 해 준다. 그리고 분명히 해결해야 할 심각한 윤리적, 기술적 장애물이 있다. 그러나 시냅스 수술이 나쁜 기억을 지울 수 있는 먼 미래를 상상의 기술만은 아닌것 같다.
130여 년 전 선구적인 신경과학자
산티아고 라몬 이 카할(Santiago Ramón y Cajal)은 뇌가 뉴런 사이의 연결 또는 시냅스를 재배열하여 정보를 저장한다고 처음 제안하였다. 그 이후로 신경 과학자들은 기억 형성과 관련된 물리적 변화를 이해하려고 노력하였다.
그러나 시냅스를 시각화하고
매핑하는 것은 어렵고 또 어렵다.
우선, 시냅스는 매우 작고 촘촘하게 뭉쳐져 있으며, 표준 임상 MRI가 이미지화할 수 있는 가장 작은 물체보다 약 100억 배 작다. 또한 쥐의 뇌에는 연구자들이 일반적으로 뇌 기능을 연구하는 데 사용하는 약 10억 개의 시냅스가 있으며
주변 조직과 마찬가지로 불투명하거나 반투명한 색상이다. 그러나 동료들과
개발한 새로운 영상 기술을 통해 기억
형성 동안 시냅스를 영상화할 수 있었다.
새로운 기억을 형성하는 과정이
뇌 세포가 서로 연결되는
방식을 바꾼다는 것을 발견하였다.
뇌의 일부 영역에서
더 많은 연결이 이루어지면
다른 영역에서는
연결이 끊어진다.
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