커피 머그잔에 도달 할 때마다 신경 과학 미스터리가 형성됩니다. 팔을 자발적으로 연장하기 전의 순간, 뇌의 자동차 지역의 수천 개의 뉴런이 척수로 이동하는 전기 활동 패턴과 손이 닿는 근육으로 분출됩니다. 그러나이 대규모 동기화 된 활동 직전에 뇌의 자동차 영역은 비교적 조용합니다. 커피에 도달하는 것과 같은 자기 중심의 움직임의 경우, "Go"신호는 뉴런을 정확하게 알리는시기를 정확하게 알려주는 순간이 아닌 순간 대신 아직 발견되지 않았습니다.
elife의 최근 논문에서 하버드 의과 대학의 존 아사드 (John Assad)가 이끄는 신경 과학자 그룹이 마침내 신호의 주요 부분을 보여줍니다. 피질 아래에 깊숙이 들어간 지역에서 느린 램프가 증가하는 도파민으로 알려진 뇌 화학 물질의 형태로 제공됩니다.
도파민은 일반적으로 뇌의 신경 전달 물질 중 하나, 뉴런 사이에 셔틀링되는 빠르게 활성화되는 화학 메신저 중 하나로 알려져 있습니다. 그러나 새로운 연구에서 도파민은 신경 조절제 역할을하고 있습니다. 뉴런이 다른 뉴런과 전기적으로 전기적으로 통신 할 가능성이 높거나 적은 것을 포함하여 더 오래 지속되는 효과를 유발하도록 뉴런을 약간 변경하는 화학 메신저의 용어입니다. 이 신경 조절 튜닝 메커니즘은 도파민이 운동 시스템이 움직일시기를 정확하게 결정하는 데 도움이 될 가능성이 높기 때문에 많은 뉴런의 뉴런 집단의 활동을 조정하는 데 도움이됩니다.
.새로운 논문은 신경 조절제가 뇌에서 수행하는 중요한 역할에 대한 지식을 확장하는 최신 결과 중 하나입니다. 최근 기술의 발전으로 신경 과학자들은 이제 전체 뇌를 가로 지르는 네트워크에서 작업에서 신경 조절제를 볼 수 있습니다. 새로운 결과는 뇌에서 이러한 조절제에 대한 오랜 견해를 뒤집고 있으며,이 분자들이 어떻게 뇌가 끊임없이 변화하는 환경 속에서 뇌가 내부 상태를 유연하게 변화시킬 수 있는지 정확하게 밝혀 내고 있습니다.
.조절 운동
이사시기의 갑작스런 결정에 무엇이 기여하는지 확인하기 위해 Assad와 그의 동료들은 핥기 운동이 주스 보상을 가져올 것이라는 것을 인식하도록 생쥐를 훈련 시켰습니다. 따라서 마우스는 유연한 시간의 윈도우를 가졌으며, 이는 어떤 순간에도 움직이기로 결정할 수있었습니다. 그들의 움직임의 타이밍은 결과적으로 시험에 따라 크게 다릅니다.
그러나 운동이 일어날 때마다, 연구자들은 뉴런 주변의 유체로 채워진 공간에서 도파민의 수준이 상승 직후에 특정 임계 값에 도달하는 것처럼 보였다. 도파민이 매우 빨리 상승했을 때, 운동은 반응 기간 초반에 일어났다. 도파민이 천천히 상승했을 때, 운동은 나중에 일어났다.
아사드는 도파민의 순간적 영향이“날 날려 버렸다”고 말했다. “여전히 놀랍습니다.”
그러나 도파민 수준이 임계 임계 값을 통과 할 때 마다이 운동은 발생하지 않았다. 신경 조절기가 기대할 수있는 것과의 불일치는 Allison Hamilos, M.D.-PH.D. 하버드 학생과 신문의 첫 번째 저자. 신경 조절 화학 물질은 변화에 영향을 미치는 변화에 영향을 미치며 뉴런이 발사 될 가능성이 높지만 매번 일대일 대응은 아닙니다. 도파민은이 경우에 이동할시기를 정확하게 말한 신호의 주요 성분 이었지만, 움직임을위한“GO”신호에서 역할을하는 다른 신경 조절제와 신경 활동은 여전히 추가 조사가 필요합니다.
.보스턴 대학교의 신경 과학자 인 마크 하우 (Mark Howe)는이 논문을“중요한 기여”로 환영하고“이사 시점에 영향을 미치는 도파민 신호에 천천히 변화하는 변화가 있다는 생각은 새로운 것입니다. … 나는 그것을 기대하지 않았을 것입니다.”
지난 10 년 동안 Howe와 다른 사람들의 이전 연구는 행동이 발생하기 전에 도파민 수치가 빠르게 증가한다는 것을 보여 주었다. 따라서 신경 과학자들은 도파민이 운동을 시작 해야하는지 여부를 신호 전달에 관여했다는 것을 알고있었습니다. 새로운 논문은 도파민 수치가 몇 초에 걸쳐 천천히 진화하고 있으며, 움직일 것인지뿐만 아니라 정확히 언제 해야하는지에 대한 결정에 직접 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 파킨슨 병 환자 (도파민 수치가 감소하는 운동 장애)가 왜 적절한 타이밍으로 움직임을 시작하는 데 어려움이 있는가?
운동의 신경 조절제로서 도파민의 역할은 비교적 새로운 발견이다. 신경 과학자들은 보상이 임박 할 수 있다는 뇌에 신호를 보내는 데 도파민이하는 역할을 오랫동안 연구 해왔다. 실제로 Assad의 팀은 그들이 본 도파민의 천천히 진화하는 경사로가 보상이 곧 올지 여부를 결정하기 위해 뇌가 사용하는 것과 동일한 경사로 신호 일 수 있다고 생각합니다. 뇌는 보상 신호를 효과적으로 활용하여 언제 움직일시기를 정확하게 결정하도록 진화했을 수 있다고 과학자들은 제안합니다.
.도파민과 같은 신경 조절제가 이동시기를 결정하는 데 관여하는 이유에 관해서는, 천천히 변화하는 신경 조절 신호가 뇌가 환경에 적응할 수있게 할 수 있습니다. 이러한 유연성은 항상 동시에 움직임으로 이어지는 신호에 의해 제공되지 않을 것입니다. Hamilos는“동물은 어느 정도 세계의 진정한 상태가 무엇인지 항상 불확실합니다. "당신은 매번 같은 방식으로 일을하고 싶지 않습니다. 잠재적으로 불리 할 수 있습니다."
.천천히 형성 행동
신경 조절제의 일부 기능은 수십 년 동안 알려져 왔지만, 신경 과학자들은 여전히 얼마나 많은 일을 할 수 있고 어떻게하는지 배우기 위해 초기에 있습니다. 도파민과 같은 모든 신경 전달 물질이 특정 조건에서 신경 조절제 역할을 할 수 있다는 광범위한 합의가 있습니다. 주어진 상황에서 분자가 수행하는 역할은 기능과 활동에 의해 정의되는 경향이 있습니다. 일반적으로, 신경 전달 물질은 하나의 뉴런에서 시냅스 공간으로이를 다른 뉴런에 연결하는 시냅스 공간으로 방출됩니다. 밀리 초 이내에, 이들은 이온 성 수용체 단백질의 게이트가 열리고 이온 및 기타 하전 된 분자가 뉴런으로 홍수되어 내부 전압을 변화시킬 수있게한다. 전압이 임계 값을 전달하면 뉴런은 다른 뉴런에 전기 신호를 발사합니다.
대조적으로, 신경 조절제는 종종 피질 전체의 부위에서 대량으로 방출되어 뇌의 체액을 통해 스며 들고 더 많은 뉴런에 도달한다. 대사성 수용체에 결합하면, 이들은 뉴런이 전기 신호를 발사 할 가능성이 높거나 적게 만들기 위해 초와 몇 분에 걸쳐 작용한다. 신경 조절제는 또한 뉴런 사이의 연결 강도를 변경하고, 다른 뉴런과 비교하여 특정 뉴런의 "부피"를 밝히고, 어떤 유전자가 켜지거나 끄는 지에도 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 변화는 개별 뉴런에서 발생하지만, 전체 네트워크가 수천 또는 수백만 개의 뉴런의 수용체에 착륙하는 신경 조절제 분자로 블랭킹되면 분자는 수면주기에서주의 및 학습에 이르기까지 모든 신경 기능에 영향을 줄 수 있습니다.
.브랜데이 대학 (Brandeis University)의 신경 과학자 인 이브 마더 (Eve Marder)는 1980 년대 후반의 신경 조절제에 대한 선구적인 연구로 널리 알려진 브란데이스 대학 (Brandeis University)의 신경 과학자 인 이브 마더 (Eve Marder)는 뇌를 통해 뇌를 씻음으로써 뇌의 큰 영역의 흥분성을 다소 동시에 동시에 지배 할 수있게한다. "기본적으로 많은 네트워크의 상태를 동시에 변화시키는 국소 뇌 세척 또는 더 확장 된 뇌 세척을 만들고 있습니다."
.신경 조절제의 강력한 효과는 이러한 화학 물질의 비정상적인 수준이 수많은 인간 질병과 기분 장애로 이어질 수 있음을 의미합니다. 그러나 최적의 수준 내에서, 신경 조절제는 뇌의 줄을 잡고, 끝없이 회로를 형성하고 활동 패턴을 유기체에 가장 적응할 수있는 순간에 가장 적응할 수있는 모든 것으로 바꾸는 비밀 인형 인형과 같습니다.
.시드니 대학교의 신경 생물학자인 맥 샤인 (Mac Shine)은“신경 조절 시스템은 당신이 상상할 수있는 가장 훌륭한 해킹이다. "당신이하고있는 일이 매우 확산 신호를 보내고 있지만 그 효과는 정확합니다."
이동하는 뇌 상태
지난 몇 년 동안, 기술 발전의 파열로 인해 신경 과학자들이 소규모 회로의 신경 조절제에 대한 연구를 넘어서서 전체 뇌를 실시간으로 바라 보는 연구를 넘어서는 길을 열었습니다. 그들은 대사성 뉴런 수용체를 수정하는 새로운 세대의 센서에 의해 가능해졌습니다. 특정 신경 조절기가 그들 위에 착륙 할 때 조명이 밝아집니다.
베이징에있는 Peking University의 Yulong Li 실험실은 2018 년에 신경 변조기 아세틸 콜린의 첫 번째 센서부터 시작하여 이러한 센서의 많은 부분을 개발했습니다.이 팀의 작업은“자연의 디자인을 활용하는 것”에 있으며,이 수용체가 이미 이러한 분자를 전문적으로 감지하도록 진화했다는 사실을 이용하고 있습니다.
Yale University의 신경 과학자 인 Jessica Cardin은 최근 센서를 사용하여“빙산의 끝, 모든 도구를 사용하는이 엄청난 사람들의 물결이있을 것입니다.”
.2020 년에 Preprint Server Bioarxiv.org에 게시 된 논문에서 Cardin과 그녀의 동료들은 Li의 센서를 사용하여 생쥐의 전체 피질에서 아세틸 콜린을 측정 한 최초의 사람이되었습니다. 신경 조절제로서, 아세틸 콜린은주의를 조절하고 각성과 관련된 뇌 상태를 이동시킨다. 아세틸 콜린은 회로에서의 활동과 독립적으로 뉴런을 더 독립적으로 만들어 항상 경보를 증가 시킨다고 널리 알려져있다. Cardin의 팀은 이것이 수백에서 수천 개의 뉴런이있는 작은 회로에서 사실을 유지한다는 것을 발견했습니다. 그러나 수십억 개의 뉴런이있는 네트워크에서는 반대가 발생합니다. 더 높은 수준의 아세틸 콜린은 활동 패턴의 동기화를 더 많이 이끌어냅니다. 그러나 동기화의 양은 뇌의 영역과 각성 수준에 따라 달라지며, 아세틸 콜린이 어디에나 균일 한 영향을 미치지 않는 그림을 그린다.
현재 생물학 에 발표 된 또 다른 연구 지난 11 월에도 신경 조절제 노르 에피네프린에 대한 오랜 개념을 유사하게 상향 조정했다. Norepinephrine은 갑자기 위험한 상황을 경고하는 모니터링 시스템의 일부입니다. 그러나 1970 년대 이래로 노르 에피네프린은 특정 수면 단계 에서이 시스템에 관여하지 않는 것으로 생각되었습니다. 새로운 연구에서 스위스 로잔 대학교의 Anita Lüthi와 그녀의 동료들은 Li의 새로운 노르 에피네프린 센서와 다른 기술을 사용하여 Norepinephrine이 수면의 모든 단계에서 셧다운되지 않았으며 실제로 동물을 쫓아내는 데 역할을 맡게되었습니다.
.Lüthi는“우리는 매우 놀랐습니다. “[우리의 결과]는 다른 국가의 영역으로 잠을 자게합니다. 깨어 난 상태에서 일어나는 일을 종료하는 것이 아닙니다.”
신경 조절제 조절
Assad의 실험실, Cardin과 Lüthi의 실험실의 새로운 연구는 한 번에 하나의 신경 조절제 만 연구했지만 과학자들은 신경 조절제가 항상 탠덤에서 작동한다고 강조했습니다. 많은 실험실은 이제 뇌에 대한 영향에 대한보다 완전한 그림을 위해 여러 신경 조절제를 동시에 연구하려고합니다.
연구원들은 또한 일부 신경 조절제가 서로 조절한다는 증거를 찾고 있습니다. 예를 들어, 마리화나의 활성 성분과 동일한 수용체에 결합하는 신경 조절제 인 엔도 카나비노이드는 최적의 범위 내에서 개별 뉴런에 의해 방출되는 신경 변질제의 양을 유지하는 데 도움이되는 것으로 보인다.
.그렇기 때문에 엔도 카나비노이드가“우리의 생존에 결정적인”이유는 거의 20 년 동안 도파민에 미치는 영향을 연구 해 온 메릴랜드 대학교 의과 대학의 신경 과학자 인 조셉 치어 (Joseph Cheer)가 말했다. "우리는 뇌에서 대부분의 시냅스를 미세 조정하는이 작은 분자를 가지고 있습니다."
.Marder에게, 신경 조절제를 분리하는 것은“빛이있는 곳이기 때문에 열쇠의 전구를 바라 보는 것과 유사하다”고 말했다. "변조에 관한 것은 항상 선형 적이거나 단순하지 않습니다."
