우리 전화와 컴퓨터가 힘이 떨어지면 빛나는 화면이 어두워지고 일종의 디지털 사망으로 죽습니다. 그러나 에너지를 절약하기 위해 저전력 모드로 전환하고 소모품 작업을 자르고 배터리가 재충전 될 때까지 기본 프로세스를 허밍합니다.
우리의 에너지 집약적 인 뇌는 조명을 유지해야합니다. 뇌 세포는 주로 설탕 포도당의 꾸준한 전달에 의존하며, 이들은 정보 처리에 연료를 공급하기 위해 아데노신 트리 포스페이트 (ATP)로 전환합니다. 우리가 조금 배가 고프면, 우리의 뇌는 일반적으로 에너지 소비를 크게 바꾸지 않습니다. 그러나 인간과 다른 동물들이 역사적으로 오랜 기간의 기아 위협에 직면했기 때문에 때로는 계절에 따라 과학자들은 뇌가 비상 사태에 대해 자신만의 저전력 모드를 가질 수 있는지 궁금해했습니다.
이제 neuron 에 출판 된 논문에서 1 월, 에든버러 대학교에있는 Nathalie Rochefort의 실험실의 신경 과학자들은 마우스의 시각 시스템에서 에너지 절약 전략을 공개했습니다. 그들은 생쥐가 한 번에 몇 주 동안 충분한 음식을 박탈 당했을 때-전형적인 건강한 체중의 15%-20%를 잃을 정도로 충분히 길었습니다. 시각 피질의 뉴런은 시냅스에 사용 된 ATP의 양을 상당한 29%로 줄였습니다.
.그러나 새로운 가공 모드는 인식 비용이 들었습니다. 마우스가 세상의 세부 사항을 어떻게 보았는지 손상 시켰습니다. 저전력 모드의 뉴런은 시각적 신호를 정확하게 처리하기 때문에 식품 제한 마우스는 까다로운 시각적 작업에서 더 나빠졌습니다.
새로운 연구의 첫 번째 저자 인 Zahid Padamsey는“이 저전력 모드에서 얻는 것은 세계의 저해상도 이미지입니다.
새로운 연구는 에너지 박탈에 의해 유사하게 변경 될 수있는 비전과 관련이없는 감각 및인지 과정을 연구하는 것을 포함하여 신경 과학자로부터 광범위한 관심과 칭찬을 받았다. 영양 실조 나 심지어 일부 형태의 다이어트가 사람들의 세계에 대한 인식에 어떤 영향을 줄 수 있는지 이해하는 데 중요한 영향을 줄 수 있습니다. 또한 신경 과학 연구에서 동물에게 동기를 부여하기 위해 식량 제한의 광범위한 사용에 대한 의문을 제기하고, 위 차선 적, 낮은 전력 상태에서 뉴런에 대한 연구에 의해 인식과 행동에 대한 연구자들의 이해가 왜곡되었을 가능성이 있습니다.
.음식이 적고 정밀도가 적습니다
배가 고플 때 과제에 집중할 수 없거나 생각할 수있는 모든 것이 음식만으로도 신경 증거가 뒷받침됩니다. 몇 년 전의 작업은 단기 굶주림이 신경 처리를 변화시키고 음식을 더 빨리 찾는 데 도움이 될 수있는 방식으로 우리의 관심을 편향시킬 수 있음을 확인했습니다.
.2016 년, 미시간 대학교의 신경 과학자 인 크리스티안 버지스 (Christian Burgess)와 그의 동료들은 생쥐가 음식과 관련된 이미지를 보았을 때 시각 피질의 영역이 배가 고픈 경우 더 많은 신경 활동을 보였음을 발견했습니다. 그들이 먹은 후에, 그 활동은 감소했다. 마찬가지로, 인간에 대한 영상 연구는 피험자가 먹은 후에 비해 피사체가 배가 고프면 음식의 사진이 더 강한 반응을 일으킨다는 것을 발견했습니다.
배가 고프 든 아니든,“망막을 때리는 광자는 동일하다”고 버지스는 말했다. "그러나 당신의 뇌의 표현은 당신이 당신의 몸이 당신이 필요로한다는 것을 알고 있다는이 목표를 가지고 있기 때문에 매우 다릅니다. 그리고 그것은 그것을 만족시키는 데 도움이되는 방식으로주의를 기울이고 있습니다."
.그러나 몇 시간 이상의 기아 후에 어떻게됩니까? 연구원들은 뇌가 가장 에너지 집약적 인 과정을 줄임으로써 에너지를 절약 할 수있는 방법을 가지고 있음을 깨달았습니다.
이 사건이 2013 년에 파리의 작은 두뇌에서 나왔다는 첫 번째 확실한 증거. Pierre-Yves Plaçais와 Thomas Preat for Scientific Research 및 ESPCI Paris는 파리가 굶주릴 때 에너지가 많은 유형의 장기 기억을 형성하는 데 필요한 뇌 경로가 닥쳤다는 것을 발견했습니다. 그들이 경로를 강요하고 추억을 형성하도록 강요했을 때, 굶주린 파리는 훨씬 더 빨리 죽었다. 이는 그 과정이 보존 된 에너지를 끄고 그들의 삶을 보존했음을 암시한다.
.그러나 포유 동물의 훨씬 더 크고인지 적으로 진행된 뇌가 비슷한 일을했는지는 알려져 있지 않았다. 또한 파리처럼 동물이 굶주 리기 전에 파워 절약 모드가 시작되는지 여부는 확실하지 않았습니다. 신경 가공에 사용 된 에너지가 너무 빨리 줄어들면 음식을 찾고 인식하는 동물의 능력이 손상 될 수 있습니다.
새로운 논문은 음식이 부족하지만 존재하지 않으면 오랫동안 뇌가 에너지를 절약하기 위해 뇌가 어떻게 적응하는지에 대한 첫 번째 모습을 제공합니다.
.3 주 동안, 연구원들은 체중의 15%를 잃을 때까지 마우스 그룹에 이용 가능한 음식의 양을 제한했습니다. 마우스는 굶주림이 아니 었습니다. 실제로 연구원들은 실험 직전에 마우스를 먹이기 위해 버지스와 다른 연구 그룹이 보는 단기 굶주림 의존적 신경 변화를 방지합니다. 그러나 마우스는 또한 필요한만큼 에너지를 얻지 못했습니다.
그런 다음 연구원들은 생쥐의 뉴런 사이의 대화를 도청하기 시작했습니다. 그들은 생쥐가 다른 각도로 배향 된 검은 색 막대의 이미지를 보았을 때 시각 피질의 소수의 뉴런에 의해 전기 신호 인 전기 신호 인 전압 스파이크의 수를 측정했습니다. 일차 시각 피질의 뉴런은 선호되는 방향을 가진 선에 반응합니다. 예를 들어, 하나의 뉴런이 선호하는 오리엔테이션이 90 도인 경우 시각적 자극이 90도 또는 거의 근처에서 요소가있을 때 더 자주 스파이크를 보내지 만 각도가 훨씬 커지거나 작아지면서 속도가 상당히 떨어집니다.
.뉴런은 내부 전압이 임계 임계 값에 도달하면 스파이크를 보낼 수 있으며, 이는 양으로 하전 된 나트륨 이온을 세포로 펌핑하여 달성합니다. 그러나 스파이크 후, 뉴런은 모든 나트륨 이온을 다시 펌핑해야합니다. 2001 년에 신경 과학자들이 뇌에서 가장 에너지를 조달하는 과정 중 하나로 발견 한 작업입니다.
저자들은 에너지 절약 트릭의 증거를 위해이 값 비싼 프로세스를 연구했으며, 이는 올바른 장소로 밝혀졌습니다. 음식이 부여한 마우스의 뉴런은 막을 통과하는 전기 전류와 유입되는 나트륨 이온의 수를 감소 시켰으므로 스파이크 후에도 많은 에너지 펌핑 나트륨 이온을 다시 낭비 할 필요가 없었습니다. 적은 나트륨을 섭취하면 스파이크가 적을 것으로 예상 될 수 있지만, 식품에서 포기한 생쥐는 시각적 피질 뉴런에서 유사한 스파이크 속도를 유지했습니다. 그래서 연구원들은 스파이크 율을 유지하는 보상 과정을 찾고있었습니다.
그들은 두 가지 변화를 발견했으며, 둘 다 뉴런이 스파이크를 생성하기가 더 쉬워졌습니다. 먼저 뉴런은 입력 저항을 증가시켜 시냅스에서 전류를 감소시켰다. 그들은 또한 쉬는 막 전위를 올렸으므로 이미 스파이크를 보내는 데 필요한 임계 값에 가깝습니다.
시애틀의 Allen Institute for Brain Science의 계산 신경 과학자 인 Anton Arkhipov는“뇌가 발사 율을 유지하기 위해 많은 노력을 기울이는 것처럼 보입니다. "그리고 그것은 우리에게 이러한 발사 율을 유지하는 것이 얼마나 중요한지에 대한 근본적인 것을 말하고 있습니다." 결국, 뇌는 스파이크를 적게 발사하여 에너지를 쉽게 절약 할 수 있습니다.
그러나 스파이크 속도를 동일한 수단으로 유지하는 수단은 다른 것을 희생하는 수단입니다. 마우스의 시각적 피질 뉴런은 불을 피우는 선 방향에 대해 선택적이지 못해 반응이 덜 정확 해졌습니다.
저해상도보기
시각적 인식이 뉴런의 정밀도 감소에 의해 영향을 받는지 여부를 확인하기 위해, 연구자들은 흰색 배경에 각진 검은 색 막대의 다른 이미지로 표시된 두 개의 복도가있는 수중 챔버에 마우스를 넣습니다. 복도 중 하나는 마우스가 물에서 나가기 위해 사용할 수있는 숨겨진 플랫폼을 가지고있었습니다. 마우스는 숨겨진 플랫폼을 특정 각도로 막대 이미지와 연관시키는 법을 배웠지 만 연구원들은 그림 각도를 더 유사하게 만들어 올바른 복도를 선택하기가 더 어려워 질 수 있습니다.
.음식이 부족한 마우스는 옳고 그른 이미지의 차이가 크면 플랫폼을 쉽게 찾았습니다. 그러나 그림 각도 사이의 차이가 10도 미만인 경우 갑자기 음식이 부족한 마우스는 더 이상 잘 먹인 마우스를 정확하게 구별 할 수 없었습니다. 에너지를 절약 한 결과는 세계의 약간 저해상도의 견해였습니다.
결과는 뇌가 생존에 가장 중요한 기능을 우선시한다는 것을 시사합니다. 바의 방향에서 10도 차이를 볼 수 있다는 것은 아마도 근처의 과일을 찾거나 다가오는 포식자를 발견하는 데 필수적이지 않을 것입니다.
이러한 인식의 장애가 동물이 실제 기아에 들어가기 오래 전에 발생했다는 사실은 예상치 못한 일이었습니다. Duke University에서 비전을 연구하는 신경 과학자 인 Lindsey Glickfeld는“정말 놀랍습니다. "어떻게 든 [Vision] 시스템은 이런 방식을 파악하여 동물의 지각 적 과제를 수행하는 동물의 비교적 미묘한 변화만으로 에너지 사용을 크게 줄였습니다."
.현재이 연구는 포유류가 시각 피질 뉴런에서 전력 절약 메커니즘을 전환 할 수 있다고 확신합니다. Rochefort는“예를 들어 후각 감각에 적용되지 않을 가능성이 여전히 높습니다. 그러나 그녀와 그녀의 동료들은 다른 피질 분야에서도 다양한 정도로 발생할 것으로 의심됩니다.
다른 연구자들도 그렇게 생각합니다. 펜실베이니아 대학교 (University of Pennsylvania)에서 청각 가공을 연구하는 신경 과학자 인 마리아 게펜 (Maria Geffen)은“전반적으로 뉴런은 피질 분야에서 거의 동일하게 기능한다. 그녀는 인식에 대한 에너지 절약의 영향이 모든 감각에 걸쳐 동일 할 것으로 기대하고, 순간에 유기체에 가장 유용한 활동을하고 다른 모든 것을 다이얼링합니다.
.Geffen은“우리는 대부분의 시간에 우리의 감각을 사용하지 않습니다. "행동 요구에 따라 뇌는 항상 조정됩니다."
운 좋게도 나타나는 퍼지는 영구적이지 않습니다. 연구원들이 마우스에게 에너지 균형과 굶주림 수준을 조절하는 데 사용하는 호르몬 렙틴의 양을 마우스에 줬을 때, 저전력 모드를 켜고 끄는 스위치를 발견했습니다. 뉴런은 선호하는 방향에 높은 정밀도로 반응하는 것으로 되돌아 갔으며, 마찬가지로, 지각 적자는 사라졌습니다. 생쥐가 음식의 덩어리를 섭취하지 않고.
.Rochefort는“렙틴을 공급할 때 피질 기능을 회복시킬 때까지 뇌를 속일 수 있습니다.
렙틴은 지방 세포에 의해 방출되기 때문에 과학자들은 혈액의 존재가 동물이 음식이 충분하고 에너지를 보존 할 필요가없는 환경에있는 뇌에 신호를 보낼 가능성이 있다고 생각합니다. 새로운 작업은 낮은 수준의 렙틴이 뇌를 신체의 영양 실조 상태로 경고하여 뇌를 저전력 모드로 전환합니다.
런던의 프랜시스 크릭 연구소 (Francis Crick Institute)의 신경 과학자 인 줄리아 해리스 (Julia Harris)는“이러한 결과는 비정상적으로 만족 스럽다”고 말했다. "기존의 이해와 일치하는 아름다운 발견을 얻는 것은 일반적이지 않습니다."
신경 과학 왜곡?
새로운 발견의 중대한 의미는 연구자들이 무의식적으로 저전력 모드에 넣은 뇌에서 뇌와 뉴런의 작동 방식에 대한 우리가 알고있는 것의 많은 부분이 있다는 것입니다. 신경 과학 연구 전과 신경 과학 연구 중에 마우스 및 기타 실험 동물이 이용할 수있는 음식의 양을 음식 보상에 대한 대가로 수행하도록 동기를 부여하는 것이 매우 일반적입니다. (그렇지 않으면 동물은 종종 주변에 앉아있을 것입니다.)
Rochefort는“정말 큰 영향은 음식 제한이 뇌 기능에 영향을 미친다는 것을 분명히 보여줍니다. 하전 된 이온의 흐름의 관찰 된 변화는 학습 및 기억 과정에 특히 중요 할 수 있다고 그녀는 시냅스에서 일어나는 특정 변화에 의존하기 때문에 제안했다.
.Glickfeld는“우리는 우리가 실험을 설계하는 방법과 동물의 인식의 민감도 또는 뉴런의 민감도에 대해 질문하려면 실험을 해석하는 방법에 대해 신중하게 생각해야합니다.
결과는 또한 다른 생리 학적 상태와 호르몬 신호가 뇌에 어떤 영향을 줄 수 있는지, 혈류의 다른 수준의 호르몬이 개인이 세상을 약간 다르게 볼 수 있는지에 대한 새로운 질문을 열어줍니다.
코펜하겐 대학교의 신경 과학자 인 룬 네구엔 라스무센 (Rune Nguyen Rasmussen)은 사람들이 자신의 렙틴과 전반적인 대사 프로파일이 다양하다고 언급했다. "그러므로 우리의 시각적 인식조차도 우리가 알지 못할 수도 있지만 실제로 인간마다 다르다는 것을 의미합니까?" 그는 말했다.
Rasmussen 은이 질문이 도발적이며 답에 대한 견고한 힌트가 거의 없다고 경고합니다. 그러한 인식과 동물의 행동에 대한 뉴런 표현에 변화가 있었기 때문에 마우스의 의식적인 시각적 인식이 음식 박탈의 영향을받은 것으로 보인다. 그러나 우리는 확실히 알 수 없다.“이것은 동물들이 우리에게 질적 시각적 경험을 묘사 할 수 있기 때문에 분명히 이것을 할 수 없다”고 그는 말했다.
.그러나 지금까지 마우스의 시각 피질 뉴런에 의해 제정 된 저전력 모드와 인식에 미치는 영향은 인간과 다른 포유 동물에서는 동일하지 않다고 생각할 이유도 없습니다.
.Glickfeld는“이것은 뉴런의 필수라고 생각하는 메커니즘입니다.
편집자 주 :Nathalie Rochefort는 의 후원자 인 Simons Foundation이 자금을 지원하는 개발 도상국의 Simons 이니셔티브 이사회 회원입니다. 이 편집자 독립 잡지 . Maria Geffen은 자문위원회의 회원입니다. Quanta .
