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과학자들이 인간 두뇌의 신비를 푸는 8가지 방법

인체를 구성하는 장기 중에서도 뇌는 가장 수수께끼로 가득 차 있다. 밝혀진 것은 매우 미미하며, 아직 모르는 것이 압도적으로 많다. 인간의 뇌에 관한 8개의 최첨단 연구.

인간의 뇌는 과학계에서 가장 큰 난제다. 주성분은 물이고 나머지 대부분은 지질에 차지한다. 하지만 이 1.4㎞ 미만의 덩어리가 우리의 사고, 기억, 정동을 형성한다. 뇌는 우리가 세상과 어떻게 관련되는지를 결정하고 우리의 몸을 움직이다. 과학자들은 복잡한 뇌의 구조의 해명을 추진하고 있다. 인간의 뇌에 있는 860억개의 뉴런이 어떻게 연결되어, 아이디어나 감정, 커뮤니케이션 능력과 반응이 생기는지에 대해 이해가 진행되고 있다. 이 기사에서는 관광 투어 형식에서 최첨단 뇌 연구의 여러 가지를 둘러싸고 각각의 중요성에 대해 간단히 살펴본다.

세포 모임에서 어떻게 생각이나 행동이 일어나는가?
콘텐츠:
인지 신경과학자와 행동 신경과학자들은 단백질, 유전자, 뇌의 구조가 어떻게 행동과 심적 과정을 만드는지 연구하고 있다. 뇌는 어떻게 배우고 사물을 기억할 것인가? 어떻게 사물을 결정할 것인가? 환경의 정보를 어떻게 처리하고 어떻게 반응할 것인가?
중요성:
기억의 메커니즘의 해명은 알츠하이머병 치료에, 보상 탐색 행동의 이해는 의존증의 치료에, 정동에 관한 지견은 우울증 예방의 새로운 단서가 될 가능성이 있다.
최첨단:
토론토 소아 병원 연구소(Hospital for Sick Children Research Institute)의 상석 연구원인 시나 조슬린은 뇌의 어디에, 어떻게 기억이 축적되어 있는지를 연구 테마로 하고 있다. 특정 기억의 축적을 담당하는 신경 회로 (서로 연결되는 뉴런의 그룹)를 밝히는 것은 기억 장애의 치료에 크게 기여할 것이다. 뇌 전체에 영향을 미치는 약을 투여하는 것은 치료법으로서 최적이라고는 할 수 없기 때문이다.
"뇌를 그릇에 들어간 수프처럼 취급해서는 안됩니다. 오레가노를 조금 더하면 전부가 맛있게 됩니다."라고 조슬린 상석 연구원은 말한다. "표적이 어디인지 정확히 이해해야합니다." 보다 정밀한 표적치료의 개발을 위해, 이 연구원은 '기억의 형성·저장·상기'에 관련된 뉴런과 신경회로에 대해 더욱 이해를 깊게 하고 싶다. 조슬린 상석 연구원의 팀은 최근 오래된 기억의 기억에 중요한 역할을 하는 지금까지 알려지지 않은 회로를 확인했다. 이 회로는 학습과 기억을 담당하는 뇌 부위인 해마로부터 감각 정보의 중계 지점인 시상으로 연결되어 있다. 동물 실험에서, 이 회로를 차단한 마우스는 전날의 경험은 기억할 수 있었지만, 지난 달의 경험은 기억할 수 없었다.
소크연구소의 신경과학자인 케이 타이 교수는 학습이나 고독감 등의 정동에 관여하는 신경회로의 연구로부터 약물 남용이나 불안에 관한 새로운 시사를 얻을 수 있다고 생각하고 있다. 그녀의 연구팀은 동시에 제시된 자극에 긍정적인 요소와 부정적인 요소가 모두 있는 경우에 행동의 방향에 관여하는 신경 회로를 확인했다.

다음 프론티어:
기억, 불안, 공포와 관련된 뇌부위, 신경회로, 신경전달물질에 대한 지견이 축적되어 이들을 조작하는 방법이 밝혀지면 질병의 치료에 있어서 보다 정밀한 수법을 개발할 수 있을 것이다.
유전적 요인
콘텐츠:
신경 유전학 분야에서는 유전자가 신경계의 구조와 기능에 미치는 영향을 조사하는 연구에 종사하고 있다.
중요성:
유전자의 역할을 확인할 수 있다면 뇌 장애를 더 정확하게 진단 할 수 있을뿐만 아니라 유전자 치료로 병리학의 진행을 멈출 수 있다.
최첨단:
스티븐 맥캐롤은 브로드 연구소 스탠리 정신 의학 연구 센터에서 게놈 신경 생물학 부문의 연구 주간을 맡는다. 전문은 정신분열증의 유전학이다. 공동 연구자와 함께 정신 분열증과 관련된 유전 적 돌연변이를 확인했습니다. 이 돌연변이는 제거할 시냅스 (뉴런 사이의 연결 부분)의 표지에 관련된 단백질을 평소보다 많이 생성시킨다.
맥캐롤 연구 주간과 동료들이 마우스에서 이 유전자의 발현량을 증가시켰을 때 마우스의 시냅스 수가 감소했다. 게다가 워킹 메모리가 손상되어 사회 행동에도 변화가 보였다. 연구팀은 이러한 유전적 변이가 정신분열증 환자에서 보이는 시냅스 수의 감소나 행동 변화에 관여하고 있을 가능성이 있다고 보고 있다.
캘리포니아 대학교 샌프란시스코 대학원에서 신경학을 연구하고 있는 인 후이 푸 교수는, 수면 시간의 감소를 일으키는 3개의 유전적 변이를 확인했다.
이 중 하나는 수면 부족으로 인한 기억 장애를 방지하는 기능을 가지고 있었다.
청년성 알츠하이머병의 유전적 리스크 인자를 가지고 있으면서 비교적 건강하게 생활하고 있는 사람에게는 어떤 유전자가 보이는지 탐구하고 있는 연구자도 있다.

다음 프론티어:
유전자와 질병의 관계를 밝히는 것은 치료법의 개발로 이어진다. 질환의 원인 유전자가 만들어내는 단백질의 작용을 저해하는 약이나, 발병을 억제하는 유전자 산물의 작용을 모방한 약 등이 생각된다. 유해 유전자의 발현을 멈추는 유전자 치료에 대해서도 연구가 진행되고 있다. 신경 질환의 일종인 근위축성 측삭 경화증(ALS)에 대한 이러한 치료법 중 하나는 미국에서 시험이 허가되었다. 헌팅턴병의 유전자 치료 임상시험도 현재 진행 중이다.

뇌 엔지니어링
콘텐츠:
신경공학자들은 뇌를 포함한 신경계와 기계를 연결하는 방법을 모색하고 있다. 신경 활동을 텍스트로 번역하거나 신경 활동을 이용하여 의지를 움직이는 실험적 장치가 이미 탄생하고 있다. 또한 인공 센서의 정보를 뇌가 처리 할 수있는 신경 자극으로 변환하는 것도 있다.
중요성:
마비 환자나 손발의 절단을 경험한 사람들이, 커뮤니케이션 능력이나 감각을 되찾아, 다시 움직일 수 있게 되는 것에 기술이 공헌할 수 있다. 뇌 자극 임플란트는 간질, 만성 통증, 시각 장애와 같은 질환의 치료에도 새로운 광명을 가져올 수 있다.
최첨단:
스탠포드 대학의 신경공학자들은 뇌 활동 기록을 이용한 마비 환자의 기능 회복을 목표로 하고 있다. 이 연구팀은 최근 목에서 아래의 마비를 안고 있는 남성 환자의 협력을 얻어, 뇌 내의 손의 움직임을 담당하는 부위에, 2개의 미소 전극을 매입했다. 남자에게 편지를 쓰고 있는 곳을 상상해달라고, 팀은 기계 학습을 이용해, 뇌 활동을 화면상의 문자로 번역했다. 이 시스템을 이용하여 남성은 분당 90자를 쓰는 데 성공했고, 뇌 활동을 이용한 타이핑의 기존 기록을 2배 이상으로 늘렸다.

한편, 이용자에게 감각 정보를 전달할 수 있는 의지 개발에 임하고 있는 신경공학자도 있다. 존스 홉킨스 대학 응용 물리 연구소에서 신경 공학 연구 ...
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