커넥토믹스

Connectomics

코넥토믹스는 코넥텀의 생산과 연구입니다: 유기체의 신경계 내 연결의 포괄적인 지도입니다.보다 일반적으로, 이것은 구조적인 연결성, 개별 시냅스, 세포 형태학 및 세포 초미세 구조가 네트워크 구성에 어떻게 기여하는지에 초점을 맞춘 신경 배선 다이어그램의 연구라고 생각할 수 있다.신경계는 수십억 개의 연결로 이루어진 네트워크이며 이러한 연결은 우리의 생각, 감정, 행동, 기억, 기능 그리고 기능 장애를 책임진다.그러므로, 커넥토믹스의 연구는 신경계의 세포가 어떻게 연결되어 있고 소통하는지를 이해함으로써 정신 건강과 인지에 대한 우리의 이해를 증진시키는 것을 목표로 한다.이러한 구조는 매우 복잡하기 때문에 이 분야 내의 방법은 이러한 신경계 맵의 속도, 효율성 및 분해능을 높이기 위해 기능적 및 구조적 신경 이미징, 가장 일반적으로 자기공명 이미징(MRI), 전자현미경 및 조직학적 기술의 높은 처리량 애플리케이션을 사용합니다.지금까지 피질, 소뇌,[1][2] [3]망막, 말초 신경계[4] 및 신경근 [5]접합부의 다양한 영역을 포함하여 신경계에 걸쳐 수십 개의 대규모 데이터 세트가 수집되었다.

일반적으로 코넥텀에는 매크로스케일과 마이크로스케일의 두 종류가 있습니다.매크로스케일 커넥토믹스는 기능성 및 구조성 MRI 데이터를 사용하여 혈류(기능성) 및 수분 확산성(구조성) 측면에서 뇌 내의 큰 섬유 조직과 기능성 회백질 영역을 계획하는 것을 말한다.마이크로스케일 코넥토믹스는 현미경과 조직학을 이용하여 작은 유기체의 완전한 코넥텀을 매핑하는 것이다.즉, 중추신경계에 존재하는 모든 연결입니다.

방법들

자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging)은 인간의 뇌에서 거시적 연결체학(Macroscale connectomics)을 평가하는 데 사용되며, dMRI 영상 시리즈는 백질 트랙을 매핑하는 데 사용되며, fMRI 영상 시리즈는 연결된 회백질 영역 간의 혈류 상관 관계를 평가하는 데 사용됩니다.

매크로스케일 커넥토믹스

매크로스케일 코넥텀은 일반적으로 확산자기공명영상(dMRI)과 기능자기공명영상(fMRI)을 사용하여 수집됩니다.dMRI 데이터 세트는 뇌 전체에 걸쳐 피질과 피질 사이의 백질을 이미징할 수 있습니다.반면, fMRI 데이터 세트는 신경 활성화의 지표로서 뇌의 뇌 혈류를 측정한다.MRI의 장점 중 하나는 다른 뇌 영역 간의 연결에 대한 생체 내 정보를 제공한다는 것이다.매크로스케일 커넥토믹스는 시각,[6][7] [8][9]뇌간, [10][11]언어 네트워크를 포함한 다양한 뇌 네트워크에 대한 우리의 이해를 넓혔다.

마이크로스케일 커넥토믹스

반면에, 마이크로스케일 코넥텀은 훨씬 더 높은 분해능으로 신경계의 훨씬 작은 영역에 초점을 맞춘다.이러한 데이터 세트는 일반적으로 전자 현미경 영상을 사용하여 수집되며 전체 로컬 회로의 단일 시냅스 분해능을 제공합니다.EM 커넥토믹스의 이정표에는 C. elegans의 [12]신경계 전체, 파리뇌 [13]전체, 그리고 최근에는 생쥐와 인간피질 [15]양쪽에서[14] 나온 밀리미터 큐브가 포함됩니다.

도구들

거시적 차원에서 커넥토믹스 연구에 사용되는 주요 도구 중 하나는 [16]MRI입니다.정지 상태의 fMRI와 dMRI 데이터 세트를 함께 사용하면 뇌의 영역이 구조적으로 어떻게 연결되어 있는지,[17][18] 그리고 얼마나 밀접하게 통신하고 있는지에 대한 포괄적인 뷰를 얻을 수 있습니다.마이크로스케일 수준의 커넥토믹스 연구의 주요 도구는 화학 뇌 보존에 이어 신경 회로 재구축에 사용되는 3D 전자 현미경 [19]검사입니다.형광과 3D 전자현미경을 결합한 상관현미경은 특정 뉴런 유형을 자동으로 검출하고 형광마커를 이용해 [20]전체 뉴런을 추적할 수 있어 해석하기 쉬운 데이터를 얻을 수 있다.

최초의 마이크로 커넥텀 중 하나를 최대 해상도로 보려면 Bock 등(2011)의 12TB 데이터 세트를 포함한 여러 커넥텀 데이터 세트를 호스팅하고 있는 Open Connectome 프로젝트를 방문하십시오.

모델 시스템

인간의 뇌 외에도, 커넥토믹스 연구에 사용되는 모델 시스템으로는 쥐,[21] 초파리,[22][23] 선충 C. 엘레건스,[24][25] 그리고 외양간 [26]올빼미 등이 있다.

적용들

디폴트 모드 네트워크(DMN)에서 각 뇌 영역 간의 기능적 연결을 평가하는 연결 매트릭스. 여기서 빨간색 색조는 두 영역 간의 혈류 변화를 나타내고 파란색 색조는 두 영역 간의 반상관성을 나타냅니다.

질병이 있는 코넥텀과 건강한 코넥텀을 비교함으로써, 우리는 신경병리학적 고통과 같은 특정 정신병리학에 대한 통찰력과 그것들을 위한 잠재적 치료법을 얻을 수 있다.일반적으로 신경과학 분야는 표준화와 원시 데이터로부터 이익을 얻을 것이다.예를 들어, 코넥텀 맵은 전뇌 [27][self-published source?]역학의 계산 모델에 정보를 제공하는 데 사용될 수 있습니다.현재의 신경망은 대부분 연결 [28]패턴의 확률론적 표현에 의존한다.연결성 매트릭스(커넥토믹스의 체커보드 다이어그램)는 경두개 자기 [29]자극을 통한 치료에 대한 반응을 평가하기 위해 뇌졸중 회복에 사용되었습니다.마찬가지로, 코넥토그램(커넥토믹스의 원형도)은 [30][31]신경망의 손상 정도를 기록하기 위해 외상성 뇌손상 사례에서 사용되어 왔다.

인간 코넥텀은 그래프로 볼 수 있으며 그래프 이론의 풍부한 도구, 정의 및 알고리즘을 이러한 그래프에 적용할 수 있습니다.살카이 외 연구진은 건강한 여성과 남성의 코넥텀(또는 땋은 글씨)을 비교했다.[32][33]몇 가지 깊은 그래프 이론적 파라미터에서 여성의 구조적인 코넥텀이 남성보다 상당히 잘 연결된다는 것을 보여주었다.예를 들어, 여성의 코넥텀은 남성보다 더 많은 모서리, 더 높은 최소 초당 폭, 더 큰 아이겐갑, 더 큰 최소 정점 덮개를 가지고 있다.최소 초당폭(또는 최소 균형컷)은 컴퓨터 다단계 상호접속 네트워크의 품질에 대한 잘 알려진 척도로 네트워크 통신에서 발생할 수 있는 병목 현상을 설명합니다.이 값이 클수록 네트워크 상태가 양호합니다.큰 아이겐갑은 암컷 코넥텀이 수컷 코넥텀보다 더 잘 확장된다는 것을 보여준다.더 나은 확장 특성, 더 높은 최소 초당 폭 및 더 큰 최소 정점 커버는 여성 브레이징그래프의 경우 네트워크 연결에서 깊은 이점을 보여줍니다.

이러한 그래프의 모집단 간 차이에 대한 국지적 측정도 도입되었다(예: 사례 [34]대 대조군 비교).이들 그룹 간에 다른 통계적으로 유의한 연결을 찾기 위해 조정된 t-테스트 [35]또는 희소성 [34]모델을 사용하여 이들 그룹을 찾을 수 있습니다.

인간 코넥텀은 에서 [36]보듯이 누적 분포 함수로 측정할 수 있는 개별 가변성을 가지고 있다.인간 코넥텀의 다른 뇌영역에서의 개체변이를 분석함으로써 전두엽과 변연엽이 보다 보수적이고 측두엽과 후두엽의 가장자리가 보다 다양하다는 것을 발견했다.근원심 소엽과 방추상 회에서 "잡종" 보존/다양 분포가 검출되었다.더 작은 피질 영역도 평가되었다. 중심 전 자이는 더 보수적이고 중심 후와 상 측두엽 자이는 매우 다양했다.

유전체학과의 비교

인간 게놈 프로젝트는 처음에 위의 많은 비판에 직면했지만, 그럼에도 불구하고 예정보다 빨리 완료되었고 유전학의 많은 발전을 이끌었다.어떤 사람들은 유전체학과 커넥토믹스 사이에 유사성이 만들어질 수 있기 때문에 커넥토믹스의 [37]전망에 대해 적어도 조금 더 낙관적으로 생각해야 한다고 주장해왔다.다른 이들은 마이크로스케일 코넥텀을 향한 시도를 비판하며, 우리가 통찰력을 어디서 찾아야 할지 충분한 지식이 없거나, 현실적인 시간 내에 [38]완성될 수 없다고 주장한다.

아이와이어 게임

주요 기사:아이와이어와 세바스찬 승

아이와이어는 미국 프린스턴 대학의 과학자 세바스찬 승에 의해 개발된 온라인 게임이다.소셜 컴퓨팅을 사용하여 뇌의 코넥텀을 매핑합니다.100개국 이상에서 13만 명 이상의 선수를 유치했다.

퍼블릭 데이터 세트

공개적으로 이용 가능한 Connectomics 데이터 세트를 살펴보는 웹 사이트:

매크로스케일 커넥토믹스(건강한 청년 데이터 세트)

오픈 매크로스케일 데이터셋의 보다 포괄적인 리스트에 대해서는, 이 기사를 참조하십시오.

마이크로스케일 커넥토믹스

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

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외부 링크