우리의 뇌는 어떻게 작동하는가: 실험실에서 배양한 뇌 세포를 연결하여 새로운 통찰력을 얻습니다

[이매진]

우리의 뇌는 어떻게 작동하는가: 실험실에서 배양한 뇌 세포를 연결하여 새로운 통찰력을 얻습니다

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How Our Brains Work: Connecting Lab-Grown Brain Cells Yields New Insights

주제:뇌신경 과학도쿄대학

작성자 : 도쿄대학교 산업과학연구소 2024년 4월 11일

도쿄대학교 산업과학연구소 연구원들은 실제 뇌와 유사한 연결을 갖춘 실험실에서 배양한 '대뇌 오가노이드'를 제공하면 뇌의 발달과 활동이 향상된다는 사실을 발견했습니다. 출처: 도쿄대학교 산업과학연구소

공동 연구팀은 실험실에서 배양한 뇌 조직을 연결하여 뇌 발달과 기능에 대한 이해를 높이고 신경 질환 치료에 있어 잠재적인 발전을 위한 길을 닦는 방법을 개발했습니다.

접시에서 기능하는 인간의 뇌와 유사한 조직을 배양한다는 아이디어는 해당 분야의 연구자들에게도 항상 터무니없는 것처럼 들렸습니다. 미래 목표를 위해 일본과 프랑스 연구팀은 실험실에서 배양한 뇌 모방 조직을 우리 뇌의 회로와 유사한 방식으로 연결하는 기술을 개발했습니다.

신경 연구의 발전

뇌 발달과 기능의 정확한 메커니즘을 연구하는 것은 어렵습니다. 동물 연구는 종 간의 뇌 구조와 기능 차이로 인해 제한되며 , 실험실에서 성장한 뇌 세포는 인간 뇌 세포의 특징적인 연결이 부족한 경향이 있습니다. 게다가 연구자들은 이러한 지역 간 연결과 그들이 생성하는 회로가 우리를 인간으로 정의하는 많은 뇌 기능에 중요하다는 것을 점점 더 깨닫고 있습니다.

이전 연구에서는 실험실 조건에서 뇌 회로를 만들려고 시도하여 해당 분야를 발전시켜 왔습니다. 도쿄 대학의 연구원들은 최근 인간 줄기 세포가 3차원 발달 뇌 모방 구조로 성장하는 실험 모델 조직인 실험실에서 성장한 "신경 오가노이드" 사이에 더 많은 생리학적 연결을 생성하는 방법을 발견했습니다. 연구팀은 축삭 다발을 통해 오가노이드를 연결함으로써 이를 수행했는데, 이는 살아있는 인간 두뇌에서 영역이 연결되는 방식과 유사합니다.

혁신을 통한 이해 증진

연구의 공동 저자인 Tomoya Duenki는 “실험실 조건에서 성장한 단일 신경 오가노이드에서 세포는 상대적으로 단순한 전기적 활동을 나타내기 시작합니다. "우리가 두 개의 신경 유기체를 축삭 다발과 연결했을 때 이러한 양방향 연결이 어떻게 유기체 사이의 활동 패턴을 생성하고 동기화하는 데 기여하는지 확인할 수 있었고, 이는 뇌 내의 두 영역 사이의 연결과 어느 정도 유사성을 보여주었습니다."

축삭 다발과 연결된 대뇌 유기체는 단일 유기체 또는 이전 기술을 사용하여 연결된 것보다 더 복잡한 활동을 보여주었습니다. 또한, 연구팀이 광유전학(optogenetics)이라는 기술을 사용하여 축삭다발을 자극했을 때, 오가노이드 활성이 그에 따라 변경되었으며, 소성(plasticity)으로 알려진 과정에서 오가노이드가 한동안 이러한 변화에 영향을 받았습니다.

"이러한 발견은 축삭 다발 연결이 복잡한 네트워크를 개발하는 데 중요하다는 것을 시사합니다"라고 해당 연구의 수석 저자인 Yoshiho Ikeuchi는 설명합니다. "특히 복잡한 뇌 네트워크는 언어, 주의력, 감정과 같은 많은 심오한 기능을 담당합니다."

뇌 네트워크의 변화가 다양한 신경학적, 정신적 질환과 연관되어 있다는 점을 고려하면, 뇌 네트워크에 대한 더 나은 이해가 중요합니다. 실험실에서 배양한 인간의 신경 회로를 연구할 수 있는 능력은 이러한 네트워크가 다양한 상황에서 시간이 지남에 따라 어떻게 형성되고 변화하는지에 대한 지식을 향상시키고 이러한 상태에 대한 치료법을 개선할 수 있습니다.

참고 자료: Tatsuya Osaki, Tomoya Duenki, Siu Yu A. Chow, Yasuhiro Ikegami, Romain Beaubois, Timothée Levi, Nao Nakagawa-Tamagawa, Yoji Hirano 및 Yoshiho의 "축삭과 상호 연결된 인간 대뇌 유기체의 복잡한 활동 및 단기 가소성" 이케우치, 2024년 4월 10일,  네이처 커뮤니케이션즈 .
DOI: 10.1038/s41467-024-46787-7