빛 듣기: 중추 청각 경로에서 광유전학적 자극의 신경 및 지각 인코딩

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 10319(2015) 이 기사 인용

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광유전학은 신경 회로의 조직과 기능을 분석하는 수단을 제공합니다. 광유전학은 또한 감각을 회복하고, 병리학적 뇌 회로에서 움직임을 가능하게 하거나 비정상적인 활동 패턴을 대체한다는 번역적 약속을 제공합니다. 그러나 기존의 채널로돕신에서 유발된 광전류의 고유한 느린 속도로 인해 자연 스파이크 패턴화의 속도와 타이밍을 적절하게 모방하는 광인공삽입물의 개발이 방해를 받았습니다. 여기에서는 채널로돕신-2(ChR2) 또는 초고속 채널 동역학을 갖는 채널로돕신인 크로노스(Chronos)를 발현하는 마우스 청각 중뇌 뉴런을 광활성화하여 중추 청각 광인공삽입물의 타당성과 한계를 탐구합니다. 크로노스 매개 스파이크 충실도는 ChR2 및 자연 음향 자극을 능가하여 빠른 펄스열의 감지 및 식별을 위한 우수한 코드를 지원합니다. 흥미롭게도 중뇌 활성화의 행동 탐지는 두 옵신과 동일하므로 이 중뇌 코딩 이점은 지각 이점으로 변환되지 않았습니다. 청각 피질 기록을 통해 정확하게 동기화된 중뇌 반응이 옵신 간에 구별할 수 없고 전체적으로 음향 자극보다 덜 견고한 단순화된 속도 코드로 변환되었음을 밝혔습니다. 이러한 발견은 차세대 채널로돕신으로 실현할 수 있는 시간적 코딩 이점을 입증할 뿐만 아니라 적응적 인식과 행동을 지원하는 전뇌 스파이킹 활동의 다양한 패턴을 유도하는 과제도 강조합니다.

심각한 말초 신경 퇴행이 있는 개인의 경우 감각 회복을 위해 사용할 수 있는 유일한 치료 방법은 중추 감각 처리의 초기 단계에서 패턴화된 전기 자극을 전달하는 것입니다. 중앙 보철물은 50년 넘게 인간 환자에게 사용되어 왔지만 일반적으로 기초적인 감각 인식만을 제공합니다. 예를 들어, 시야의 공간 형태를 일차 시각 피질의 망막위적으로 조직된 미세 자극으로 변환하면 물체 위치에 대한 인식을 제공하지만 형태 차별을 지원하지는 않습니다. 마찬가지로 수백 명의 청각 장애인이 청각 뇌간이나 중뇌 임플란트를 통해 환경 소리에 대한 인식을 얻었습니다. 그러나 음성과 같은 복잡한 신호의 식별은 몇 가지 주목할만한 예외를 제외하면 일반적으로 매우 열악합니다3,4,5,6.

흥미롭게도, 망막 신경절이나 나선형 신경절 과정에 패턴화된 전기 자극을 전달하는 보철물은 일반적으로 낮은 수준의 뇌 영역을 자극하는 것보다 우수한 결과를 제공합니다(검토를 위해 참고 문헌 9,10 참조). 말초 신경보다는 뇌를 자극하는 보철 장치와 관련된 급격한 성능 저하는 더 까다로운 수술 배치 및 전기 신호 처리로 인해 발생할 수 있습니다. 그러나 가장 큰 원인은 뇌 네트워크 자체 내에서 코딩 및 처리의 복잡성이 엄청나게 증가한다는 점에 있습니다. 뇌 회로 구성은 지역에 따라 크게 다르지만 대부분은 상호 연결된 구심성 수용 뉴런, 개재뉴런, 피드백 뉴런, 투사 뉴런 및 화학적 및 전기적 신경전달을 조절하는 다수의 신경교세포를 포함하는 공통 논리를 공유합니다. 전기적 미세 자극이 이러한 회로의 여러 요소를 무차별적으로 활성화하는 반면, 유전적으로 암호화된 광 활성화 이온 채널(즉, 광유전학)을 사용하면 이러한 회로 내의 특정 노드에 대한 자극을 정확히 찾아내는 수단을 제공할 수 있습니다(검토를 위해 참고 문헌 11,12 참조).

기초 과학 연구에서 광유전학 기술의 현재 구현과 인간 환자의 특정 세포 유형에 대한 채널로돕신의 표적 전달 사이에는 수많은 윤리적, 공학적, 생물학적 장애물이 있습니다. 한 가지 근본적인 문제는 빛에 의해 활성화된 광전류가 채널로돕신의 본질적으로 느린 채널 동역학으로 인해 느리다는 사실에 있으며, 이는 오래 지속되는 고주파 신경 자극(예: 40Hz 이상)을 전달하는 능력을 감소시킵니다. 이러한 제한은 음향 신호의 시간적 변조가 일반적으로 수백 헤르츠만큼 높은 속도로 밀리초 미만의 정밀도로 인코딩되는 청각 경로의 초기 단계에서 소리 표현을 재구성하려는 시도에 특히 문제가 됩니다. 정확하고 지속적인 스파이크 타이밍은 청각 특징 인코딩에 필수적이기 때문에 광유전학적 자극에 의한 소리 표현의 충실한 재구성에는 스파이킹 활동의 정확하고 빠르며 비적응 패턴을 유도하는 능력도 필요합니다.