성별과 공감 경향에 따른 편도체의 구조적 특성 규명

조한별 서울대학교 대학원 2014 국내박사

서론: 공감(empathy)은 타인의 감정, 생각을 이해하는 능력이며 일상적인 사회생활 유지에 필수적이다. 공감 경향의 정도는 남성과 여성 간의 차이가 있으며 이는 뇌 내 신경학적 수준의 성별 차이에서 기인하는 것으로 제시되어 왔다. 뇌 내 편도체의 경우 공감과 관련한 주요한 역할을 수행하는 것으로 연구되어 왔으나 공감 경향과 편도체의 세부핵 수준에서의 구조적 관계를 밝히고자 하는 연구는 없었다. 이에 편도체 표면 기반 형태 분석을 이용하여 뇌 내 생물학적 성별 차이를 고려한 편도체의 세부핵 내의 구조적 특성과 공감 경향 간의 관계를 연구하였다. 방법: 만 20-60세의 정상 성인 97명(남성 50명, 여성 47명)을 대상으로 인구학적, 임상적 정보를 얻고 고해상도의 뇌 자기공명영상 자료를 획득하였다. 획득한 뇌 자기공명영상 자료 중 T1 강조영상(T1-weighted image)에서 편도체를 자동 구획하고 편도체 표면 기반 형태 분석 방법론을 이용하여 평균 3차원 편도체 모형 기준의 피험자 개별의 편도체를 조정 후 편도체의 반경을 구하고 형태 분석을 수행하였다. 편도체 세부핵은 확률맵으로 구획하여 세부핵 별 구조적 비율을 계산하였다. 연구 대상자에게 공감지수 척도와 체계화지수 척도의 한국어 번안 질문지를 제공하여 검사를 수행하였고 체계화지수 변환값에서 공감지수 변환값을 뺀 D 점수를 계산하여, 편도체 형태와의 관계를 분석하였다. 해당 분석은 남성 군, 여성 군으로 성별을 나누어 수행하였다. 결과: 여성 군 내에서 D 점수와 우측 편도체 내 측기저핵 영역의 클러스터에서 유의미한 부적 상관관계가 나타났다(corrected P < 0.05, cluster size = 28). 남성 군 내에서는 D 점수와 양측 편도체 내의 유의미한 상관관계를 갖는 클러스터 영역은 나타나지 않았다. 우측 편도체 측기저핵 영역 일부에서 연구 대상자 전체의 성별과 D 점수 간의 유의미한 부적 상호작용이 있는 것으로 나타났다(corrected P < 0.05, cluster size = 46). 결론: 여성 군 내의 우측 편도체 측기저핵 영역의 클러스터 반경과 공감 경향이 정적 상관관계를 보였고 남성 군 내에서는 유의미한 결과가 없었다. 또한 해당 부위는 성별과 공감 경향 정도 간의 상호작용이 있었다. 성 공감 경향과 연계된 편도체 측기저핵의 구조적 특성은 성 호르몬 등의 성 특이성의 영향을 받음을 시사한다. 편도체 표면 기반 형태 분석을 통한 본 연구 결과는 공감 경향 관련 편도체 세부핵 단위의 분석이 구조적, 기능적 연구에서의 활용이 의미가 있음을 시사하며, 성별 차이를 고려한 뇌 자기공명영상 연구의 필요를 강조하였다. Introduction: Empathy is defined as the ability to understand another person’s emotions and thoughts, and it is essential in maintaining ordinary social life. Men and women differ in the extent of the empathizing tendency, which has been suggested to be due to sex differences in the brain at a neurological level. Although there have been many studies indicating the crucial role of the amygdala in empathy, no studies have been conducted thus far on the structural relationship between the subregions of the amygdala and the empathizing tendency. Thus, the present study examined the structural properties of the amygdalar subregions and their relationship with the empathizing tendency, by using amygdalar surface-based shape analysis in consideration of sex differences. Methods: Demographic and clinical information as well as high-resolution brain magnetic resonance (MR) images were collected from 97 healthy adults (50 men, 47 women) aged between 20 and 60 years. Using the obtained T1-weighted MR images, the amygdala was automatically segmented. Amygdalar surface-based shape analysis was performed to adjust each participant's amygdala based on the average three-dimensional amygdala model. Subsequently, the radii of each participant's amygdala were measured. The amygdalar subregions were segmented by the probabilistic map and the ratio of each amygdalar nuclear compartment was calculated. The association between the radii of the amygdala and the D scores, which were obtained by subtracting the conversion values of the Empathy Quotient (EQ) scores from those of the Systemizing Quotient (SQ) scores, was assessed to analyze the relationship between the shape of the amygdala and the D scores. The analyses for men and women were performed separately. Results: In women, a significant negative correlation was found between the D scores and the cluster located at the basolateral subregion of the amygdala (corrected P < 0.05, cluster size = 28). However, in men, no such correlation was observed between the D scores and the clusters in the amygdala. Moreover, there were significant negative interactions between sex and D scores in some of the basolateral subregion of the right amygdala (corrected P < 0.05, cluster size = 46). Conclusion: There was a positive correlation in women between the radius of the cluster at the basolateral subregion of the right amygdala and the empathizing tendency, whereas no such correlation was found in men. Also, significant interactions of sex and the empathizing tendency were observed in the identified region. The structural properties of the amygdalar basolateral subregion associated with the sex-related empathizing tendency may be the result of sex-specific factors such as sex hormones. The present results from the amygdalar surface-based shape analysis suggests that the analysis of the amygdala at a subregional level in relation to the empathizing tendency may be useful in structural and functional brain research, and that there is a need for future brain imaging studies on the sex-specific differences of the brain.

공황 장애환자에서 편도체 측기저핵의 위축

전찬수 서울대학교 대학원 2012 국내석사

BACKGROUND: Panic disorder has symptoms of recurrent severe anxiety response and anticipatory anxiety for panic attack. These symptoms often result in functional decline in everyday life. Contrast to the numerous functional imaging studies on panic disorder, structural imaging studies are comparatively small in number and most of them are simple comparison of total amygdalar volumes. Considering the importance of amygdala in the known pathophysiology of panic disorder, the lack of structural imaging study in panic disorder is due to the absence of suitable study methodology to detect detailed structure of amygdala. Using the new method of amygdalar shape analysis, this study is aimed to compare the detailed difference in amygdala surface shape between panic disorder group and normal control group. METHODS: Brain magnetic resonance images were acquired from 22 panic disorder patients and 22 healthy comparison subjects. The rater who traced the outline of amygdala using semiautomatic process was blinded to the group identity information. Amygdalar volume value was obtained and the group difference was compared and analyzed with independent t-test. The two-dimension amygdala outline information was converted into three-dimensional mesh structure through marching cube algorithm, then smoothed and registered into x, y and z coordinate system. The group differences in amygdala subregional shape were analyzed with statistical method of generalized linear model. RESULTS: Patients with panic disorder had decreased right amygdala volume (p=.03). With adjustment of the confound effect of age, sex and whole brain volume, panic disorder group showed significant shape difference of reduced volume in laterobasal nuclei of right amygdala (False Discovery Rate_Corrected P<.05). CONCLUSION: After repeated implication through animal studies, the laterobasal amygdala has been considered as a core structure in the fear conditioning and abnormal anxiety reaction. But there was no previous known study saying volume reduction of laterobasal amygdala in panic disorder patients. This volume reduction implies that laterobasal amygdala is important structure in panic disorder and the volume reduction could be the outcome of recurrent excitotoxic effect of panic disorder. To confirm this hypothesis further study is needed. 배경: 편도체는 공황장애에 있어 핵심적인 뇌구조물의 하나로 인식되고 있으나 이와 관련한 구조적 뇌영상 연구는 많지 않은 편이고 그 또한 대부분 편도체 부피의 단순 양적 비교가 많았다. 이는 편도체의 세부 구조를 파악할 수 있는 연구 방법론의 부재와 연관이 있다고 보여진다. 본 연구는 공황 장애 환자군과 정상대조군의 뇌자기공명영상 이미지를 얻고 편도체 세부구조 분석이라는 새로운 방법론을 적용하여 양 군 간의 편도체 세부 구조의 차이를 비교하고자 하였다. 재료 및 방법: 22명의 공황 장애 환자군과 나이와 성별을 짝짓기한 22명의 정상대조군의 뇌자기공명영상 이미지를 획득하였다. 공황장애 이환 여부 정보에 대해서 맹검 상태가 유지된 숙련된 연구자가 반자동화 방법으로 편도체 영역을 구획하였다. 이후 편도체의 세부구조 분석은 마칭큐브(marching cube)를 이용하여 3차원의 그물망 구조로 변환 후 라플라시안 평활화(Laplacian smoothing)을 통해 표면을 매끄럽게 하고 템플레이트 편도체(template amygdala)에 좌표 등록(registration)을 하고 나서 관성 중심에서 편도체 표면의 상응하는 1000개의 좌표지점까지의 거리를 분석하여 시행하였다. 결과: 공황 장애 환자군에서 우측 편도체의 부피가 정상군에 비하여 유의하게 작은 것(p=.03)으로 나타났으며 나이 및 성별 요인을 보정하여 시행한 세부구조 분석의 결과 우측 편도체 측기저핵 영역에 있어 위축(false discovery rate, corrected p<.05 )이 관찰되었다. 고찰: 본 연구는 성인 공황 장애 환자군에서 편도체 세부구조 분석을 통해 편도체의 세부 구조의 차이를 확인하였다. 측기저핵은 동물 실험을 통해 불안 행동의 유발 및 조건화 등에 관여하는 것으로 알려져 왔으나 이 영역의 위축을 보고한 이전 연구는 알려진 바가 없었다. 공황 장애 환자에서의 측기저핵의 위축은 편도체 하위핵(nuclei)들 중 측기저핵이 공황장애에 발병에 관련되어 있음을 시사한다. 측기저핵의 위축은 반복적인 편도체의 과활성화로 인한 과흥분성 독성(excitotoxic) 영향으로 추정되며 향후 공황장애의 병태생리를 밝혀내기 위해 기능적, 구조적 뇌영상 및 유전학, 동물실험 등의 다각적인 연구 및 이의 통합이 필요할 것이라고 판단된다.

편도체 불활성화가 능동회피반응과 조건공포의 습득 및 인출에 미치는 영향

임형문 全南大學校 大學院 2005 국내석사

본 연구는 능동회피반응과 조건공포의 습득 및 인출과정에서의 편도체의 역할에 대해 알아보았다. 실험 1에서는 안내도관을 이식한 피험동물에게 훈련 직전에 약물(Muscimol)을 주입하여 편도체를 불활성화시킨 후 능동회피훈련을 시키고 이틀 후에 활동성을 측정하였다. 그 결과, 약물집단과 통제집단 간 능동회피반응의 습득에서 차이가 나타나지 않았으며, 조건공포의 표현에서도 차이를 보이지 않았다. 실험 1의 결과는 편도체의 손상이 능동회피 반응의 습득을 방해한다는 기존의 연구들과는 상반된다. 따라서 실험2에서는 약물주입이 효과적이지 못했을 가능성을 점검하고, 편도체가 관련되지 않는 상태로는 조건공포를 습득하지 못한 기존의 연구들을 반복할 수 있는지 알아보았다. 약물을 주입하여 편도체를 불활성화시킨 후 고전적 조건형성을 시키고 조건 공포를 검사한 결과, 편도체 가 관련되지 않는 상태로는 조건공포를 습득할 수 없었다. 본 연구 결과는 능동회피학습을 통한 조건공포의 습득에 편도체 이외의 뇌구조가 관여할 가능성을 시사한다. This study examined the role of the amygdala on acquisition of active avoidance response and expression of conditioned fear. In experiment 1, rats were trained in an active avoidance task after muscimol injection into the amygdala, and two days later were tested for conditioned fear to the warning signal used in the AA task. There was no difference between amygdala inactivation group and control group in the acquisition of active avoidance response. These results indicating that amygdala inactivation does not impair the acquisition of active avoidance response is not consistent with the results of most of the previous studies. Therefore, experiment 2 examined whether muscimol injection is efficacious and if pretraining amygdala inactivation would impair acquisition of conditioned fear. Rats were trained in a classical conditioning task after muscimol injection into the amygdala, and were tested for conditioned fear two days later. Amygdala inactivation impaired acquisition of conditioned fear. These results suggest that brain structures other than the amygdala may be involved in the aquisition of conditioned fear during active avoidance learning.

공포학습 후의 편도체 불활성화가 조건공포와 능동회피반응에 미치는 영향

정지운 全南大學校 大學院 2004 국내석사

본 연구는 편도체 불활성화가 조건공포와 능동회피반응에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 이를 위해 캐뉼라 이식수술을 하고 동물에게 능동회피훈련을 시킨 후 조건공포와 능동회피반응을 검사하기 직전에 약물주입을 하였다. 그 결과 muscimol 주입진단이 통제집단에 비해 활동성이 유의하게 증가되어 나타난 반면, 능동회피반응에서는 두 집단이 다르지 않았다. 즉 편도체 불활성화가 조건공포는 손상시키면서 능동회피반응은 손상시키지 않았다. 이 결과는 편도체의 역할에 대한 상반된 견해인 기억저장견해와 기억조절견해 모두가 부분적으로 옳으며, 두견해간의 불일치는 부분적으로 과제차이에 기인했을 가능성을 시사한다. 즉 편도체는 조건자극과 무조건자극의 연합이 일어나는 장소이면서, 동시에 운동기억이 편도체 이외의 장소에 응고화 되도록 조절하는 역할을 하며, 이는 조건공포와 능동회피반응을 매개하는 신경학적인 메커니즘이 일치하지 않을 가능성을 시사한다. This study examined the effects of the amygdala inactivation on conditioned fear and active avoidance. Rats, with chronic cannula placed bilaterally in the amygdala, were trained in an active avoidance task and 1 or 2 days later tested for both conditioned fear and active aviodance immediately afger muscimol or buffer injection. As a result, activity to the CS in the amygkala inactivation group was larger than that of controls while performance of active avoidance was not different. In other words, amygdala inactivation impaired conditioned fear but not active avoidance. Thes findings suggest that both memory storage and memeory modulation, different view about the role of amygdala, are correct in part and this discrepancy stem from the task difference in part. Thus, amygdala seems to be the locus of cs-us association and, at the same time, moduates memory consolidation in other brain regions. It means that neural mechanisms for the conditioned fear and active avoidance are not the same.

흰쥐 뇌 편도체에서 (³H)-ketanserin 결합에 의한 Serotonin 신경연접의 전자현미경적 연구

김자예 梨花女子大學校 1989 국내박사

포유류의 뇌에서는 여러가지 신경전달물질이 분비되어 뇌의 여러 기능에 관여하고 있으며 그 중에서 serotonin은 수면, 체온조절, 통각감수, 성장호르몬 분비 및 생식등의 기능에 관여하고 있는 것으로 보고되고 있다. Serotonin 신경섬유는 특히 여러 대뇌피질, 신선조체, 중뇌의 봉선핵, 편도체, 송과체등에 고밀도로 분포되어 있다. 포유류의 뇌에서 편도체는 선조체의 복측부에 자리잡고 있는 신경핵의 집합체로서 시상하부, 시상, 대뇌피질, 선조체로 신경섬유를 투사하며 또 후구, 시상하부, 흑질과 복측 피개야, 청반 및 봉선핵으로부터 신경섬유를 받고있다. 본 연구는 흰쥐 뇌의 편도체에서 serotonin 신경섬유를 식별하고 또한 그의 신경연접의 미세구조를 자세히 관찰하기 위하여 측뇌실에 serotonin 길항제인 [`^3 H] - Ketanserin을 주입한 다음 편도체내의 serotonin 수용체의 분포상태를 광학 및 전자현미경 자기방사법으로 관찰하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 광학현미경 표본에서 은입자의 대부분은 신경모에 표지되었고 소수는 신경세포에 표지되었다. 전자현미경 표본에서 거의 대부분의 은입자는신경세포막에 근접해서 표지되었다. 은입자의 대다수는 수상돌기와 축삭의 가느다란 가지에 표지되었고 소수는 굵은 수상돌기, 또는 신경세포체에 표지되었다. 표지된 연접에서는 소원형 소포를 함유한 축삭종말이 비대칭의 축삭-수상돌기 연접을 이루고 있었다. 위와같은 사실로 보아서 편도체에서 소원형 소포를 함유한 비대칭의 축삭-수상돌기 연접의 상당수는 serotonin_2 수용체를 갖고 있으며 이들 연접의 축삭은 serotonin 신경섬유라고 생각한다. The neurotransmitters which are released from mammalian brain play the important roles in various brain functions, and serotonin has been implicated in the regulation of sleep, body temperature, pain perception growth hormone secretion, and reproduction. Most serotonin synthetizing neurons are situated in the raphe nuclei of mesencephalon and their axons are widely distributed in the brain including the entire cerebral cortex. Also very high densities are found over the mammilary bodies, claustrum and nucleus lateralis of the amygdala. The amygdala in the mammalian brain is a complex of nuclei located in the ventral part of striatum. It is known that amygdala has many axonal connection with the various brain areas. It projects the efferent fibers to the hypothalamus, thalamus, cerebral cortex, and striatum. And it receives the afferent fibers from the olfactory bulb, hypothalamus, substantia nigra, and ventral tegmental area, locus ceruleus, and raphe nuclei. This study was performed to identify the serotoninergic synapses in the amygdala of the rat. Identification of the serotoninergic synapses has been done by autoradiography after cerebroventricular administration of `^3 H - Ketanserin. When examined by the light microscopic autoradiographs, most of the labeled silvergrains were detected in the neuropil and some of them in soma. By the electron microscopic autoradiographs, almost all of the labeled silver grains were detected near the vicinity of the nerve cell membrance. We found most of silver grains were located in the thin branches of the dendrites or soma. In case of labeled synapses, the axon terminals contained small round vesicles and showed asymmetric contact with dendrites. In this context, it implies that a lot of asymmetric axo-dendritic synapses with small round vesicles have the serotonin_2 receptors, and the axon terminals of these synapses are serotoninergic fibers.

Enhanced neural excitability in the amygdala of socially fear-conditioned mice

Junmo Yeo DGIST 2022 국내석사

It has been reported that the activity of the amygdala is increased in patients with high social fear. However, the neural mechanism of the increased activity of the amygdala underlying the social fear is un-clear. We focused on the changes in the medial prefrontal cortex (mPFC) projecting basolateral amygdala (BLA) neurons. We adopted a social fear conditioning (SFC) paradigm and specifically evoked a high level of social fear. It was confirmed by three-chamber social interaction test and social preference-avoidance test. In case of social-preference test, conditioned mice spent less time for interacting with the stimulus mice and more time in the corner. We microinjected retrograde tracer into the mPFC region. Later, in a brain slice containing amygdala, two types of neurons were used for electrophysiology: fluorescently labelled and non-labelled neu-rons. By using a whole-cell patch clamp technique, the frequency of action potential spikes evoked by intra-cellular current injection increased upon social fear conditioning in the fluorescently labelled neurons, but not in non-labelled neurons. However, Sag volt and frequency, amplitude of the spontaneous excitatory postsynaptic currents (sEPSCs) were not significantly changed. These results indicate that the intrinsic excitability is increased upon social fear conditioning in the mPFC projecting BLA neurons and suggest the neural mechanism of the increased activity of BLA in social fear. 사회적 공포가 높은 환자에서 편도체의 활동이 증가하는 것으로 알려져있다. 그러나 사회적 공포의 기초가 되는 편도체의 활동 증가의 신경 메커니즘은 정확하게 알려진 바가 없다. 이에 본 연구에서는 내측 전전두엽 피질을 향하고 있는 기저외측핵 편도체의 변화에 초점을 맞췄다. 우리는 사회적 공포 조건화 행동실험을 실시하였고, 이를 통해 높은 수준의 사회적 공포를 유발했다. 그것은 3개의 챔버 사회적 상호작용 테스트와 사회적 선호-회피 테스트로 확인되었다. 사회적 선호도 테스트의 경우, 사회적 공포를 학습한 쥐는 자극 쥐와 상호작용하는 데 더 적은 시간을 소비하고 챔버 구석에서 더 많은 시간을 보냈다. 우리는 역행 추적기를 전전두엽 피질 영역에 미세 주입했다. 이후 편도체를 포함한 뇌 조각에서 두 가지 유형의 뉴런이 전기생리학에 사용되었다. 전체 세포 패치 클램프 기술을 사용하여, 세포 내 전류 주입에 의해 유발된 활동 전위 스파이크의 빈도는 형광 레이블이 발현된 뉴런에서 사회적 공포 조절 시 증가했지만 형광을 발현하지 않은 뉴런에서는 증가하지 않았다. 그러나 Sag 전압의 크기와 자발 흥분성 시냅스 후 전류(sEPSC)의 크기와 빈도수는 크게 변경되지 않았음을 확인하였다. 이러한 결과는 내측 전전두엽 피질을 향하고 있는 기저외측핵 편도체에서 사회적 공포 학습에 따라 세포 내 고유한 흥분성이 증가함을 나타내며, 사회적 공포에서 기저외측핵 편도체의 활동 증가의 신경 메커니즘을 시사한다.

공포기억 재경화에 중추적인 off-line 신경 활성에 대하여 : Offline neural activity during reconsolidation of fear memory

강혜원 서울대학교 대학원 2014 국내석사

감정의 중심부라 여겨지는 편도체 부위는 공포 조건화 학습이라는 동물 행동실험 모델로 많은 연구가 진행되고 있으며, 기억의 형성에 중추적인 역할을 한다. 또한, 해마 부위와 양지향성 상호작용을 하고 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구의 결과는, 파블로프의 조건 반사 패러다임을 사용하여, 공포기억이 형성된 실험동물의 해마와 편도체간의 동시화된 신경활성이 외부 자극 부재시에 떠오르는 이례적인 공포기억의 재경화시 중심적인 역할을 도맡고 있을 것임을 시사한다. 흰쥐의 해마와 편도체에 전극을 삽입하여, 두 부위간의 네트워크를 동시에 기록 및 분석함으로써 진행되었다. 그 결과, 공포기억 재생을 위해 조건자극이 제시되었을시와 그 후에 외부 조건자극 없이 탈경화된 공포기억이 재경화되는 시기에 4 에서 6 Hz의 theta rhythm으로 동시화된 신경활성을 확인할 수 있었다. 이러한 off-line 신경활성의 균형은 편도체 또는 해마에 theta rhythm을 억제한다고 알려진, scopolamine (muscarinic antagonist)을 처리함으로써 억제할 수 있었다. 나아가, scopolamine에 의해 공포기억의 재경화가 이루어지지 않게되는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과들은 편도체와 해마 네트워크의 동시 활동을 통해 선택적인 기억의 삭제가 가능한 것임을 나타내고 있으며, 나아가 이례적인 신경활성으로 인해 나타나는 PTSD, 공포증, 중독증 등의 정신질환들의 치료연구에도 사용될 가능성을 제시하고자 한다.

조현병 고유전부하를 지닌 정상인에서 얼굴 정서 처리에 관한 기능적 자기공명영상 연구

박혜윤 서울대학교 대학원 2014 국내박사

얼굴에 나타난 정서 처리 (facial emotion processing)는 사회 인지 기능에서 정서 처리 과정과 관련된 중요한 기능이다. 최근 많은 연구들이 조현병 환자들에게서 얼굴 표정에 나타난 정서를 인지하는 능력이 손상되어 있음을 보고하고 있다. 그러나 조현병의 얼굴 정서 처리와 관련된 신경생물학적 이상에 유전적인 소인이 관여하는지에 관해서는 연구가 부족한 실정이다. 이번 연구는 기능적 자기공명영상을 이용하여 조현병의 고유전부하를 가지고 있으나 임상 증상이 없는 정상인에서 얼굴 정서 인식과 관련된 뇌기능 이상을 규명하여 정서 처리 과정과 관련된 조현병의 기질적 표지인자를 밝히는 것을 목적으로 하였다. 본 연구는 16세 이상 35세 이하이고 조현병의 직계 가족이면서 추가적으로 삼차 친족 내에 정신증 환자가 1명 이상 있는 정상인 17명과 성별 및 연령, 교육 연한을 짝지운 정상 대조군 17명을 연구 대상으로 하였다. 연구참여자들은 암시적 얼굴 정서 처리 (implicit facial emotion processing) 과제를 수행하면서 기능적 뇌자기공명영상을 촬영하였다. 얼굴 정서 처리 과제는 공포, 행복, 중립의 세 가지 정서를 표현한 6명의 얼굴을 보여주면서 성별을 판별하도록 구성되었다. 집단 내 및 집단 간 전뇌분석 (whole brain analysis)을 시행하고 편도체 (amygdala)에 대하여 관심 영역 (region of interest) 분석을 시행하였다. 본 연구에서 조현병의 유전적 고위험군에서 공포 정서 및 중립 정서의 얼굴 정서 처리 과제 시에 정상 대조군에 비하여 관련된 뇌 영역의 활성화가 저하됨이 관찰되었다. 전뇌분석에서 공포 정서 자극 시에는 후두엽 (occipital lobe), 방추상이랑 (fusiform gyrus), 측두엽 (temporal lobe), 대상피질 (cingulate gyrus)과 편도체 등의 변연계 (limbic system) 등 시각피질- 측두엽- 변연계 영역에서 활성 저하가 나타났으며, 중립 정서 자극 시에는 시각피질 외 상기 영역들과 더불어 전전두엽 (prefrontal cortex)영역에까지 활성 저하 소견을 보였다. 관심 영역 분석에서 유전적 고위험군에서 공포정서에서는 오른쪽 편도체의 활성이 저하되어 있고, 중립 정서의 얼굴 조건 시에는 양쪽 편도체 모두에서 활성 저하가 나타났다. 이번 연구는 조현병의 고유전부하를 지닌 정상인에서 편도체를 비롯한 얼굴 정서 인식과 관련된 시각피질- 측두엽- 변연계- 전전두엽 시스템의 뇌기능 저하가 나타난다는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 얼굴 정서 인식 과정에서의 뇌기능 이상이 조현병의 기질적 표지자 (trait marker)일 가능성을 시사하고 있다.

Amygala-dependent mechanisms of fear memory weakening

김지혜 서울대학교 대학원 2014 국내박사

기억은 한번 형성되면 끊임없이 변화하며 유지된다. 이러한 변화를 위해서는 기억이 약화되는 과정이 필수적이다. 그러나 기억의 형성과 관련하여 그 분자 기전을 밝히기 위한 연구가 꾸준히 이루어진 반면, 기억이 형성된 이후 기억이 약화되는 기전에 대한 연구는 미진한 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 기억의 인출 또는 소거와 같이 기억이 약화되는 과정들을 매개하는 분자기전에 대해 밝히고자 한다. 편도체는 들어오고 나가는 신경회로가 잘 알려져 있을 뿐만 아니라 공포 기억을 저장하는데 중요한 역할을 할 것으로 알려져 있어 기억에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 뇌 부위 중 하나이다. 뿐만 아니라 공포기억은 학습이 쉽고, 반응이 분명하여 기억 정도의 측정이 용이하다. 본 논문에서는 파블로프의 공포 조건화 방법을 이용하여 공포기억을 형성한 뒤, 이것을 인출 또는 소거했을 때 발생되는 변화를 알아보았다. 기억의 형성 이후 경화된 기억은 이를 인출했을 때에 일시적으로 불안정해진다는 것이 알려져 왔었다. 그러나 이러한 과정의 분자기전에 대한 연구는 미흡하였다. 본 논문에서는 공포기억의 인출에 의해 일시적으로 시냅스 상에 CP-AMPA 수용체가 증가하는데, 이 과정에 NMDA 수용체의 활성과 CI-AMPA 수용체의 내포작용이 필요함을 관찰하였다. 또한, 공포기억의 인출에 의해 시냅스 상에 유도된 CP-AMPA 수용체는 기억의 재경화에 필수적임을 확인하였다. 이를 증명하기 위해, 기억의 인출 이전에 NMDA 수용체의 활성을 억제하는 약물 또는 GluA2의 내포작용을 억제하는 약물을 투여하여 시냅스 상에 CP-AMPA 수용체의 삽입이 저해되는 것을 확인하였고, 기억의 인출 이후 시냅스 상에 삽입된 CP-AMPA 수용체를 억제하였을 경우에는 기억의 재응고화가 억제되어 기억이 소거됨을 관찰하였다. 이러한 결과들은 CP-AMPA 수용체가 기억이 저장되는 시냅스를 특이적으로 표지 하는 역할을 할 가능성을 제시하고 있다. 최근 연구들에 따르면, 기억을 유지하는 데에 PKMζ의 지속적인 활성이 필수적이며, PKMζ의 저해제인 ZIP을 기억이 저장되는 부위에 투여할 경우 기억을 특이적으로 소거할 수 있다는 것이 보고되어 왔다. 본 논문에서는 ZIP이 GSK3β를 직접적으로 활성화 함으로써 기억이 소거됨을 제안하고자 한다. 이를 위해, in vitrokinase assay를 이용하여 ZIP이 직접적으로 GSK3β를 활성화 시키는 것을 확인하였으며, 공포기억을 형성시킨 후 ZIP을 처리하였을 경우에 유도되는 장기 기억 및 장기기억의 세포학적 모델인 시냅스 장기강화의 손실(탈강화)이 GSK3β의 활성을 억제할 경우에는 나타나지 않음을 확인하였다. 또한 공포 기억 형성 이후 ZIP에 의해 나타나는 GSK3β의 활성은 GSK3β의 serine-9 잔기의 탈인산화에 의해 유도되며, 이로 인한 하위기전들의 활성화가 공포기억을 소거함을 관찰하였다. 이러한 결과들은 기억의 소거에 GSK3β가 중요한 역할을 하고 있음을 시사한다. 또한 본 논문에서는 공포기억의 소거 과정에 그룹 II 대사성 글루탐산 수용체의 활성이 필요함을 밝힘으로써 기억의 소거 과정에 중요한 또 다른 분자를 도출하였다. 그룹 II 대사성 글루탐산 수용체는 기존에 시냅스 탈강화에 요구될 것으로 보고되어, 공포기억의 소거에도 중요할 것으로 예상되어 왔었다. 이에 공포기억 소멸 훈련 이전에 그룹 II 대사성 글루탐산 수용체의 저해제를 편도체로 주입하여 공포기억 소거가 저해되는지를 확인하였다. 일련의 실험들을 통하여 본 논문에서는 공포기억의 인출 및 소거와 관련된 분자기전들을 밝혔다. 공포기억의 인출에는 GluA2를 포함하지 않는 CP-AMPA 수용체의 시냅스 삽입이 기억을 일시적으로 불안정하게 만드는데 기여하고 있으며, 공포기억의 소거에는 GSK3β와 그룹 II 대사성 글루탐산 수용체의 활성화가 핵심적인 역할을 할 것으로 여겨진다. 이러한 결과들은 기억 형성 이후, 전반적인 기억 처리 과정을 이해하는데 도움이 될 것이다. Once a memory is formed and consolidated, it continuously changes throughout lifetime until it is erased. To update the original memory, the process for memory weakening (deconsolidation) is necessary. Although the molecular mechanisms for learning and memory formation have been intensively studied, the question “how about mechanisms underlying the changes taking place after memory formation?” is still unclear. Here I explore molecular mechanisms that mediate the process of memory weakening (deconsolidation) such as memory retrieval and erasure. The amygdala is one of the brain regions that are heavily studied in memory researches because its neural circuits have been well-defined, and it has been known to encode fear memory. Fear memory is easily and quickly formed, and fear memory levels can be easily measured because fear responses are largely clear. Therefore, I identified the changes involved in memory retrieval and erasure after memory formation using the Pavlovian fear conditioning paradigm. It has been known that consolidated memory after learning can become transiently unstable by memory retrieval. However, the molecular mechanisms involved in memory retrieval and the temporary lability after retrieval are largely unknown. Here I suggest that fear memory retrieval transiently increases insertion of GluA2-lacking, calcium-permeable α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (CP-AMPA) receptors into synaptic membranes, in which the activity of N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors and the internalization of GluA2-containing, calcium-impermeable AMPA (CI-AMPA) receptors are necessary. Furthermore, I show that CP-AMPA receptors that are inserted into synaptic membranes are required for subsequent reconsolidation after fear memory retrieval. I found that blocking NMDA receptor activities or GluA2 endocytosis inhibited insertion of CP-AMPA receptors and that blockade of CP-AMPA receptors after fear retrieval impaired reconsolidation of fear memory. These results indicate that CP-AMPA receptors represent a synaptic tag by which synapses for memory storage are specifically marked. Recent studies have reported that the constitutive activity of the atypical PKC isoform Mζ (PKMζ) is essential for memory maintenance, and that zeta-inhibitory peptide (ZIP), a pseudosubstrate for PKMζ, disrupts long-term memory. In the middle of controversy about the contribution of PKMζ in learning and memory, I suggest that ZIP erases fear memory through direct activation of glycogen synthase kinase 3 β (GSK3β). In vitro kinase assays showed that ZIP directly activates GSK3β. Blockade of GSK3β activity prevented ZIP-induced depotentiation and amnesia. Further, I found that the activation of GSK3β in the presence of ZIP is mediated by the dephosphorylation of Serine-9 on GSK3β. These results indicate that the activation of GSK3β is implicated in memory erasure. In addition to the activation of GSK3β, I suggest that the activity of group II metabotropic glutamate receptors (mGluRs) is required for memory extinction. Previous studies have demonstrated that the activation of group II mGluRs as well as group I mGluRs induces synaptic depotentiation in the amygdala, which is a synaptic model for memory extinction. I found that blocking group II mGluRs in the amygdala impaired fear extinction, consistent with the previous results. In summary, I found the molecular mechanisms that are involved in memory weakening including the retrieval and erasure of fear memory. Retrieval of fear memory induces the insertion of GluA2-lacking CP-AMPA receptors into synaptic membranes, contributing to destabilization of memory. The activity of GSK3β and group II mGluRs is crucial for erasure of fear memory. These results will help to understand the molecular mechanisms for underlying memory-modulatory processes after memory formation.

Studies on changes in synaptic engram between the ventral hippocampus and amygdala during memory formation

홍일강 서울대학교 대학원 2024 국내박사

Studies on changes in synaptic engram between the ventral hippocampus and amygdala during memory formation Ilgang Hong Interdisciplinary Program in Neuroscience Graduate School Seoul National University Memory is a fundamental trait enabling learning and knowledge accumulation. The quest to identify the neural basis of memory in the brain has revealed that ensembles of engram cells play a key role in memory formation and retrieval. Thanks to recent technological advancements, research has expanded from the cellular level and has delved even deeper into the synaptic level. Previous studies have confirmed the existence of engram cells, yet whether cellular activity is completely correlated to synaptic activities still needs to be answered. In this study, our objective was to examine the visualisations and the molecular mechanism of synaptic transmission and its plasticity. In the initial phase of the study, we employed the dual e-GRASP technique, which labels pre-synapses in the activated or random control vCA1 region on the dendrites of the post-regional area (BA). This allowed us to investigate the connections between these two regions during memory formation. Contextual cue (conditioned stimulus; CS) was sufficient to activate the vCA1 which is known for context encoding whereas the BA was specifically activated by electric foot shock (unconditioned stimulus; US). Meanwhile, the observed synaptic strengthening was solely evident in the CFC group, suggesting that memory storage necessitates the association of the conditioned stimulus with the unconditioned stimulus. This correlation provides compelling evidence that the enhancement of E-E synapses is pivotal in associative memory. In the second part of the study, we quantified nascent protein to selectively analyse the role of PSI during memory formation to further induce retrograde amnesia in vivo. We first quantified the total protein amount by using western blot to characterise PSI effect on the basal amygdala during memory formation. We further applied FUNCAT technique in neuron cultures to validate the effect of PSI. And currently we have optimised the protein yield to further analyse proteomics of de novo protein synthesis in the BA. We are looking forward to seeing how this in- depth study of synaptic engram will contribute to the understanding of the physiological implications of synaptic transmission and synaptic plasticity. In the final part of the study, our objective was to explore the strengthening of engram-specific synapses during memory formation and ascertain its reliance on protein synthesis. To address this inquiry, we employed protein synthesis inhibitors (PSIs) like anisomycin and cycloheximide, inducing complete retrograde amnesia. Our main emphasis was on optimising the optimal condition to block protein synthesis. Surprisingly, unlike mice with a single injection of anisomycin, mice with multiple injections of anisomycin or a single cocktail injection showed impaired memory recall with optogenetics. Memory impairment by inhibiting synaptic strengthening emphasised the necessity of synapses for memory storage. Learning is the process of obtaining information through experience, and the learned information is stored in our brain in the form of ‘memory’. ‘Engram’ refers to traces of memory, and from a neuroscience perspective, ‘engram cells’ are cells that store learning and memory. Research on memory storage mechanisms at the synaptic level is relatively more challenging compared to research at the cellular level because it requires more sophisticated techniques than that at the cellular level. However, ‘synaptic Engram’ still needs to be proven from various angles, as shown in the first part using dual-eGRASP technique. Next, we aimed to study the role of protein synthesis by disrupting its function, to understand how these proteins are located and work together to make synapses function. The ability to learn and store memory is granted to all living species from lower animals to humans. The way each stores memory is what differentiates species and studying how this works is essential when understanding the behaviour of animals, even including humans. The way of memory has become a crucial factor in recent human biology. 기억은 학습과 지식 축적을 가능하게 하는 근본적인 특성이다. 뇌에서 기억의 신경 기초를 확인하려는 탐구는 엔그램 세포의 앙상블이 기억의 형성과 회상에 핵심적인 역할을 한다는 것을 밝혀냈다. 최근의 기술적 발전 덕분에 연구는 세포 수준에서 확장되었고, 현재는 시냅스 수준으로 더욱 깊이파고들었다. 이전의 연구들은 엔그램 세포의 존재를 확인했지만, 세포 활동이 시냅스 활동과 관련이 있는지는 여전히 답이 필요하다. 따라서 이 연구를 통해 시냅스 전달과 가소성의 시각화와 분자적 메커니즘을 규명하고자 하였다. 첫째, 활성화된 또는 비활성화된 vCA1 영역의 시냅스를 사후 영역(BA)의 수상가지에 표지하는 dual-eGRASP 기술을 사용했다. 이를 통해 기억 형성 중에 이 두 영역 간의 시냅스를 구분하여 가시화 및 정량화 할 수 있다. 조건부 자극(CS)에 의해 vCA1 이 활성화되기에 충분한 반면, BA 는 전기 발 충격(무조건부 자극; US)에 의해 활성화되었다. 한편 시냅스 강화는 CFC 실험군에서만 존재했으며, 이는 기억 저장이 CS 와 US 의 연관성을 필요로 한다는 것을 나타낸다. 둘째, 기억 형성 중 시냅스의 역할을 더 자세히 조사하는 것을 목표로 했다. 우리는 완전한 역행성 기억상실증을 유도하기 위해 아니소마이신과 사이클로헥시마이드와 같은 단백질 합성 억제제를 사용했다. 이를 위해 단백질 합성을 차단하기 위한 실험적 조건을 최적화했다. 놀랍게도 아니소마이신을 한 번 주사한 쥐와 달리 아니소마이신을 여러 번 주사하거나 칵테일을 한 번 주사한 쥐는 광유전학으로 기억 회상이 되지 않는 것을 보였다. 시냅스 강화 억제에 의한 기억 장애는 기억 저장을 위한 시냅스의 필요성을 강조했다. 마지막으로, 학습 기간 동안 단백질 합성 억제제(protein synthesis inhibitors; PSI)의 역할을 선택적으로 분석하기 위해 새롭게 합성된 단백질을 정량화했다. 먼저 기억 형성 동안 편도체에 대한 PSI 효과를 보이기 위해 웨스턴 블롯을 사용하여 총 단백질 양을 정량화했다. PSI 의 효과를 검증하기 위해 신경세포 배양에 FUNCAT 기술을 추가로 적용했다. BA 에서 단백질 신합성의 프로테오믹스를 추가로 분석하도록 최적화하고 있다. 시냅스 엔그램에 대한 심층적인 연구가 시냅스 전달과 시냅스 가소성의 생리학적 의미에 대한 이해에 기여할 것으로 기대한다.