일주기 리듬에 따른 뇌기능 조절 이해를 위한 동물 실험 모델 설계

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일주기 리듬에 따른 뇌기능 조절 이해를 위한 동물 실험 모델 설계
제안자 최한경
자문교원 최한경
연도 2020
타입 A형 과제
코스 프란시스 크릭
매칭여부 Yes
참여학생수 5
소개동영상

제안 배경

  • 사람을 비롯한 동물의 뇌 기능은 하루를 주기로 차이가 있음
  • 20세기 중후반의 연구는 사람 연구를 중심으로 하여 일주기적인 성능 차이를 보이는 뇌기능을 다수 발굴하였음
  • 최근 분자유전학 연구는 일주기적인 현상을 이해하는 틀을 제공하였으나, 이를 바탕으로 인간의 뇌 기능을 이해할 수 있는 길은 아직 제한적임
  • 최근 생쥐 유전학 분야의 완성과 open science resource의 다변화로 인해, 특히 행동신경과학 분야에서 기존에 없던 연구 질문에 접근 가능하게 됨
  • 일주기적 뇌 기능이라고 하는 비교적 정리되어 있지만 다양한 가능성이 열려있는 분야에서 open source neuroscience를 통해 스스로의 질문을 개척할 가능성이 열렸으며, 이러한 접근법은 융복합적 기법을 통해 자기주도적인 연구를 독려하는 UGRP에 최적화된 연구 방식으로 판단함

과제 목표

  • 사람에서 일주기적으로 변화하는 뇌기능 중 연구 대상 기능을 물색함
  • 생쥐에서도 해당 기능이 존재하며 일주기적으로 조절될 가능성에 대해 확인하고, 행동 실험을 설계함
  • Open-source 신경과학 소재를 활용해 직접 측정 장비를 개발하고, 생쥐의 일주기적 뇌기능 변화를 측정함
  • (옵션) UGRP 연구의 진척 상황에 따라 해당 행동의 일주기성을 조절하는 신경회로를 탐색함

과제 내용

  • 일주기적으로 변화하는 뇌기능 중 연구 대상 기능 발굴

▹1960-70년대 독일 막스 플랑크 연구소의 Aschoff 박사 연구진에 의해 수행된 Andechs 벙커 실험에서는 자원자들을 일정한 환경에 두고 수면/각성, 시간 감각, 섭식, 간단한 심리학적 검사 및 생리학적 측정 등 다양한 지표의 인간 일주기 리듬을 연구하였음 ▹이 중에서 현대적 기법으로 그 기작에 관한 이해가 이루어진 기능은 극소수에 불과함 ▹UGRP 참여 학생들로 하여금 당시의 원문을 읽고서 사람에서 일주기적으로 변하는 뇌 기능에 대한 이해를 독려하며, 가장 흥미가 가는 기능을 골라 토론을 통해 연구 대상 기능을 발굴할 것임

  • 생쥐에서 해당 기능을 반영하는 행동 실험의 설계

▹앞 단계에서 정리된 뇌 기능을 대상으로 생쥐에서 적합한 행동 측정법이 있는 경우와 없는 경우에 대해 지도교수와 함께 정리할 것임 ▹적합한 행동 측정법이 있는 경우에는 다양한 논문을 대상으로 gold standard가 존재하는지, 그렇지 않은 경우에는 어떤 변수를 중심으로 행동을 최적화해야 할지 검토할 것임 ▹적합한 행동 측정법이 존재하지 않는 경우에는 생쥐에서 검사가 적합한 버전으로 새로운 형태의 행동 실험을 고안할 수 있을지 검토할 것임 ▹실제 생쥐 동물 실험을 직접 수행하기에 앞서, 지도교수의 실험실에서 기 진행되고 있는 일주기적 인지기능 연구 실험을 참관 및 경험하여 직접 행동 실험 설계 및 수행에 요구되는 선행 경험을 습득할 것임

  • Open-source 신경과학 기술을 활용한 측정 장비 개발 및 일주기적 측정

▹최근 IOT 기술의 발달과 open source science에 대한 추구는 신경과학 분야에서 상상력에 기반하여 무궁히 많은 새로운 시도를 가능하게 함 ▹지난 3년간 본 지도교수의 지도하에 수행된 UGRP 수행에서 시도되었던 Arduino나 Raspberry pi 기반의 행동 측정 장비를 살펴보고, 기본적인 지식을 습득함 ▹앞에서 설계했던 동물 행동 실험을 구현하기 위해 필요한 부분을 기존 open science community에서 습득하고, 추가적인 부분을 메이커 스페이스를 활용하여 완성함 ▹제작된 행동 장비를 활용해 생쥐 행동의 일주기적인 패턴을 측정함

  • (옵션) 해당 행동의 일주기성을 조절하는 신경회로 연구

▹UGRP 연구, 특히 본 주제는 학생들과의 상호작용을 통해 연구 방향을 잡아가기에 고정된 연구제안서 양식에 가능한 연구 내용을 담기 어려운 점이 있음 ▹3학점이라는 시간 제한이 있기는 하지만 학생들의 잠재력과 수행 역량에 따라 계획된 기간 이전에 생쥐 행동의 일주기적 특성의 파악이 완료될 가능성이 있음 ▹이 경우 해당 행동의 일주기성을 조절하는 신경회로 연구로 연장해 나갈 것임 ▹지도교수 연구실에 확보하고 있는 일주기 생체시계 돌연변이 생쥐 및 중추시계 세포 특이적 유전자 조작 동물 (Cre driver line)을 활용하여 생체시계 구성 유전자 및 중추시계 신경회로가 특이적으로 망가진 경우에 해당 행동의 일주기성을 측정함으로써, 이들 구성 요소의 기여를 연구할 것임

참고자료

  • Jűrgen Aschoff, 1965, Science 148:1427, Circadian rhythms in man.
  • Till Roenneberg, 2012, Harvard University Press, Internal time.
  • Devarakonda et al., 2015, Behavior Research Methods 48:503, ROBucket: a low cost operant chamber based on the Arduino microcontroller.
  • Meyer et al., 2018, Neuron 100:46, A head-mounted camera system integrates detailed behavioral monitoring with multichannel electrophysiology in freely moving mice.

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