XVI - 1

학습행동 조절인자에 대한 신경행동학적 연구

김 동 구연세의대 약리학교실

XVI - 2

연구과제의 학제적 위치

분자 세포 조직 행동뇌공학

뇌과학

행동을 중심으로 조직 , 세포 , 분자 수준으로 연구방향이진행되기에 뇌공학 분야와의 상호 교류가 용이하다 .

XVI - 3

개체 ( 뇌 )

연구의 필요성

기술적 : 뇌기능 표출에 기본적인 생물학적 기전을 밝힘경제 , 산업적 : 인공 뇌 , 학습능력 관계약물 개발사회 , 문화적 : 인간행동에 관한 개념 정립

환경자극

반응 -------- 행동 ------- 타고난 행동배운 행동

Classical conditioningOperant conditioning

XVI - 4

연구의 가설 스트레스 인자물리적 정신적

조절가능성 결정5-HT system?

사전경험

조절가능한 스트레스 조절불가능한 스트레스

중추 norepinephrine system

교감 - 부신수질계 , 시상하부 - 뇌하수체 - 부신피질계행동계 , 신경 - 내분비계 , 면역계

탄력적 대응( 행동 , 인지 , 감정 )

연합뇌 재구성( 구조 , 기능 )

신경회로망 강화( 학습 )

스트레스성 질환( 비정상행동 )

XVI - 5

5-Hydroxytryptamine (5-HT, Serotonin)

1. Phylogenetically old

2. Wide distribution, non-synaptic varicosities

3. Low activity in normal physiology

4. Effects on metabolism, blood flow, and development

5. Multiple subreceptors

6. Results of my laboratory

스트레스환경자극

5-HT system

5-HT1A/5-HT2A/2C

각종 신경전달물질계Ach, DA, NE, Peptides, etc 행동변이

학습

XVI - 6

연구목표 및 내용

연구 1 단계 (1998-2000)

1) 자가학습행동 분석기술 확립2) 학습기능발현에서 5-HT 계 역할 규명

연구개발목표

1. 자가학습검사 분석기술 확립2. 5-HT 함량 및 관계 유전자 표현 분석기술 확립

스트레스에 의한 자가학습기능 변동에 관련된 5-HT 계 변동 규명

5-HT 계 변동으로 인한 자가학습기능 변동 규명

년도

1998

1999

2000

연구개발 내용 및 범위

1. 자가학습검사의 각종 parameter 분석2. 뇌조직의 5-HT 함량 , 수용체 활성 검사 및 생합성 속도 제한효소의 in situ hybridization 법 확립

자가학습기능 변동에 따른 행동학적 요소와 뇌조직의 5-HT 함량 , 수용체 활성 및 생합성 속도제한효소와의 상관관계 규명

인위적으로 5-HT 계를 변동시키는 약물을 투여하여 뇌기능을 변동시켰을 때 나타나는 자가학습 기능 변동을 규명하므로 5-HT 계 역할을 증명하고 , 이로써 학습기능 향상 기술 기반 제공

XVI - 7

추진전략 및 방법

제 1 차년도 행동 신경화학 ( 조직 , 세포 , 분자 )

제 2 차년도 스트레스 행동

제 3 차년도

5-HT 계

5-HT 계 스트레스 행동

제 1 차년도 : 1. 자가학습검사 분석 및 신경화학검사 법 확립2. Footshock 스트레스 노출법 확립

행동 Autoshaped learning test, Progressive ratio test

조직 Brain, Adrenal gland

세포 Serotonergic (catecholaminergic) cells

분자 Serotonin (catecholamines)

contents, receptors, biosynthetic enzyme

XVI - 8

Standard Operant Chamber (Skinner Box )

XVI - 9

자가학습검사법Autoshaped learning test with delayed reinforcement

Retractable lever

Lever touch

Reinforcer

Strip touch

SalineMethamphetamine

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

2

4

6

8

10

12 Males

Autoshaped learning test (150 days old rats)

Ex

ten

de

d L

ev

er

To

uc

h

1 2 4 8 16 32 64 1280

100

200

300

400

500

600 Saline

Meth

Males

*

Progressive fixed ratio test (170 days old rats)

Lev

er P

ress

ing

**

XVI - 10

GROUP

FEMALES

NH H IS 2S0

500

1000

1500

2000

2500

3000

AC

TIV

ITY

CO

UN

T

*

NH H IS 2S0.0

0.5

1.0

1.5

GROUPR

AT

IO O

F 5

-HIA

A/5

-HT

*

FEMALES

Fig. 1. Nocturnal spontaneous locomotor activity and the ratio of 5-HIAA/5-HT in the frontal cortices of aged (PND 360-390) rats which have been experieced the footshocks on PND 14 (1S) or PNDs 14 and 21 (2S).

생애초기 footshock 스트레스와 5-HT

XVI - 11

3 6 9 12 15 18 21 24 27 300

100

200

300

400

500

600

700

AM

BU

LA

TO

RY

AC

TIV

ITY

MALESNHHN2NANKNAN+N2K+N2

TIME (min)

****

***

3 6 9 12 15 18 21 24 27 300

100

200

300

400

500

600

700FEMALES

TIME (min)

AM

BU

LA

TO

RY

AC

TIV

ITY

***

*

***

5-HT 1A

H N2 NAN NAN+N20

2

4

6

8

10

GROUPp

Kd

(-l

og

M)

H N2 NAN NAN+N20

1

2

3

4

5

5-HT 1A

GROUP

Bm

ax

(p

mo

le/g

)

******

5-HT 2A/2C

H N2 NAN NAN+N20

2

4

6

8

10

GROUP

pK

d (

-lo

g M

)

5-HT 2A/2C

H N2 NAN NAN+N20

1

2

3

4

5

6

7

GROUP

Bm

ax

(p

mo

le/g

)

**

생애초기 저산소 스트레스와 5-HT

Fig. 2. Exploratory activity (PND 40-55) and 5-HT receptor characteristics (PND 100) in rats exposed to hypoxia (N2) with NAN-190 (NAN) or ketanserin (K) on PND 2.

XVI - 12

태아기 허혈 스트레스와 5-HT

XVI - 13

태아기 허혈 스트레스와 5-HT

XVI - 14

태아기 허혈 스트레스와 5-HT

XVI - 15

Table 1. Concentrations of 5-HT & 5-HIAA in various brain regions of rats (PND 100) which have been experienced transient ischemia on GD 17.

Frontal Cx

Hippocampus

Thalamus

HASP

Striatum

Cbll

Brain stem

Males Females

5-HT 5-HIAA 5-HT 5-HIAA

S-D S-I S-DI I-DI

S-D S-I S-DI I-DI

S-D S-I S-DI I-DI

S-D S-I S-DI I-DI

* S-D: Sham vs. Drug (8-OH-DPAT), S-I: Sham vs. Ischemia, S-DI: Sham vs. Drug-ischemia, I-DI: Ischemia vs. Drug-ischemia

태아기 허혈 스트레스와 5-HT

XVI - 16

뇌기능 표출과정에서 연구의 위치

환경자극

환경자극

XVI - 17

기대성과 및 활용방안

1) 행동분석기술 , 학습기능 측정기술 확립

뇌관련 연구 및 산업 활성화 기반 제공

2) 뇌기능 표출기전 추구

인공 뇌 개발 기반 제공

3) 인지 및 학습기능 향상기술 추구

학습능력 항진 약물 및 기술 개발 기반 제공

4) 뇌기능 발현에 대한 행동 - 분자 단계의 종합적 접근

인간행동에 대한 개념 정립