후각 피질 출력은 뇌 전체의 시공간적 네트워크를 모집하고 형성한다

Основные понятия

후각망에서 전구체 출력과 피리폼 피질 출력은 뇌 전체의 시공간적 네트워크를 다르게 모집하고 형성하며, 노화된 뇌에서는 이러한 네트워크의 활성화가 감소하고 연결성이 손상된다.

Аннотация

후각 피질 출력과 뇌 전체 네트워크의 역할

본 연구 논문은 쥐 모델을 이용하여 후각 시스템의 뇌 전체 네트워크를 조사하고, 특히 전구체 출력과 피리폼 피질 출력이 이러한 네트워크의 시공간적 특성을 형성하는 데 미치는 영향을 분석합니다.

주요 연구 결과

1. 차별적인 하위 네트워크 모집: 광유전학 fMRI 및 전기생리학적 기록을 통해 전구체 출력은 주로 해마 및 선조체 네트워크를 활성화하는 반면, 피리폼 피질 출력은 변연계 네트워크를 우선적으로 활성화한다는 것을 발견했습니다.
2. AON 출력의 억제 효과: 반복적인 전구체 또는 AON 자극은 피리폼 피질 자극과 달리 뇌 전체의 신경 활동 전파를 감소시켰습니다. DCM 분석 결과 AON 출력이 선조체 및 변연계 네트워크 영역에 강력한 억제 효과를 나타내는 것으로 밝혀졌습니다.
3. 노화된 뇌에서의 네트워크 손상: 노화된 쥐 모델에서 전구체 자극 후 뇌 전체의 활성화, 특히 1차 후각 및 변연계 네트워크에서 감소했습니다. 모델링 분석 결과 AON에서 피리폼 피질로의 연결이 제대로 이루어지지 않아 하위 장거리 전파를 방해하는 이 1차 후각 피질 회로의 손상을 나타냅니다.

연구의 중요성

본 연구는 건강한 뇌와 노화된 뇌에서 장거리 후각 네트워크의 시공간적 특성을 처음으로 규명하고, AON 및 피리폼 피질 출력이 시스템 수준에서 신경 상호 작용을 형성하는 데 미치는 역할을 밝혀냈습니다. 이러한 발견은 후각 시스템 기능 장애와 관련된 신경 질환에 대한 치료 전략을 개발하는 데 중요한 의미를 갖습니다.

연구의 한계 및 향후 연구 방향

본 연구는 쥐 모델을 사용했기 때문에 인간에게 일반화하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 또한, 후각 네트워크의 복잡성을 감안할 때 본 연구에서 조사된 것 외에 다른 뇌 영역과의 상호 작용이 있을 수 있습니다. 향후 연구에서는 이러한 측면을 자세히 조사해야 합니다.

Статистика

OB 자극 실험에서 1차 후각 네트워크 (AON, Pir, TT, Ent, Tu) 내에서 가장 강력한 BOLD 활성화가 관찰되었으며, 이는 OB에서 이러한 표적까지의 직접적인 해부학적 투사와 일치합니다.
OB 자극 실험에서 OB 구동 신경 활동은 주로 1차 후각 네트워크 (OB, AON, Pir, TT, Ent, Tu)에 집중되었으며, 그 비율은 전체 ROI AUC의 40.5 ± 1.6%였습니다.
AON 구동 활동은 선조체 네트워크 (NAc 및 vCPu)를 우선적으로 모집했으며, 그 비율은 전체 ROI AUC의 13.8 ± 0.6%였습니다.
Pir 구동 활동은 변연계 네트워크 (Cg, PrL, OFC, Ins, Amg)를 강력하게 표적으로 삼았으며, 그 비율은 전체 ROI AUC의 39.5 ± 2.8%였습니다.
DCM 분석 결과 OB, AON, Pir 자극에 대해 1차 후각 네트워크 (OB, AON, Pir)의 노드 간 연결성이 주로 양성 (즉, 흥분성 효과)인 것으로 나타났습니다.
AON에서 Ent, vCPu, Amg까지의 유효 연결성은 음성인 반면 Pir에서 동일한 표적까지의 연결성은 양성이었으며, 이는 장거리 후각 네트워크에서 AON 출력의 억제 효과와 Pir 출력의 흥분성 효과를 나타냅니다.
노화된 쥐에서 OB 자극 후 1차 후각 네트워크 (AONR: 16.4 ± 3.8 vs. 33.4 ± 6.5, P < 0.05; PirR: 33.5 ± 6.0 vs. 58.0 ± 8.4, P < 0.05; TTR: 15.1 ± 4.8 vs. 41.3 ± 7.0, P < 0.01) 및 변연계 네트워크 (CgR: 7.6 ± 1.9 vs. 15.5 ± 1.9, P < 0.01; OFCR: 19.4 ± 3.0 vs. 36.7 ± 3.8, P < 0.01; InsR: 29.2 ± 3.8 vs. 40.6 ± 5.0, P < 0.05)에서 BOLD 활성화가 크게 감소했습니다.
노화된 동물에서 AON에서 Pir로의 유효 연결성은 건강한 동물의 양성 (0.23 ± 0.09 Hz)에서 음성 (-0.12 ± 0.10 Hz, P < 0.05)으로 전환되었으며, 이는 노화된 뇌에서 주요 1차 후각 피질 회로의 기능 장애를 시사합니다.

Цитаты

Ключевые выводы из

Olfactory cortical outputs recruit and shape distinct brain-wide spatiotemporal networks

by Ma,T., Wang,... в www.biorxiv.org 07-23-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.19.604242v2

Дополнительные вопросы

후각 시스템의 장거리 네트워크는 다른 감각 시스템의 네트워크와 어떻게 상호 작용하며, 이러한 상호 작용은 다감각 통합 및 인지 처리에 어떤 영향을 미칠까요?

후각 시스템은 다른 감각 시스템과 밀접하게 상호작용하며, 이러한 상호작용은 다감각 통합 및 인지 처리에 중요한 역할을 합니다. 연구 결과에 따르면, 후각 시스템의 장거리 네트워크는 시각, 청각, 촉각 등 다른 감각 시스템을 담당하는 뇌 영역들과 광범위하게 연결되어 있습니다.

다감각 통합: 후각 정보는 다른 감각 정보와 통합되어 다감각적 지각을 형성합니다. 예를 들어, 음식의 냄새는 맛, 질감, 온도 등 다른 감각 정보와 통합되어 풍부한 미각 경험을 만들어냅니다. 이러한 다감각 통합은 편도체 (Amg), 해마 (HP), 안와전두피질 (OFC) 등의 뇌 영역에서 일어나는 것으로 알려져 있습니다. 특히, 본문에서 AON 자극이 해마 네트워크를 활성화시키는 것으로 밝혀졌는데, 이는 후각 정보가 해마에서 공간 정보, 감정적 맥락 등 다른 정보와 통합되어 기억 형성에 기여할 수 있음을 시사합니다.

감정 처리: 후각은 편도체와 밀접하게 연결되어 감정적 반응을 유발합니다. 특정 냄새는 긍정적 또는 부정적 감정을 불러일으키고, 이는 학습된 연상이나 본능적인 반응에 기인할 수 있습니다. 본문에서 Pir 자극이 편도체를 포함한 변연계 네트워크를 활성화시키는 것으로 나타났는데, 이는 Pir이 후각 정보를 처리하여 감정적 반응을 조절하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 의미합니다.

인지 기능: 후각 정보는 주의, 의사 결정, 기억 등 다양한 인지 기능에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 특정 냄새는 특정 기억을 떠올리게 하거나, 위험 신호를 감지하여 주의를 집중시키는 역할을 할 수 있습니다. 본문에서 AON 자극이 **배쪽 선조체 (vCPu)**를 포함한 선조체 네트워크를 활성화시키는 것으로 나타났는데, 이는 AON이 후각 정보를 처리하여 행동 선택, 보상 학습 등 인지 기능에 관여할 수 있음을 시사합니다.

다른 감각 시스템의 조절: 후각 정보는 다른 감각 시스템의 활동을 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 음식 냄새는 시각적 주의를 음식 이미지로 유도하거나, 청각 시스템의 감도를 조절하여 음식과 관련된 소리에 더 민감하게 반응하도록 할 수 있습니다. 본문에서 AON과 Pir 자극 모두 운동피질 (MC), 체감각피질 (S1), 청각피질 (AC), 시각피질 (V1) 등 다양한 감각피질을 활성화시키는 것으로 나타났는데, 이는 후각 정보가 다른 감각 정보 처리 과정에 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다.

결론적으로, 후각 시스템의 장거리 네트워크는 다른 감각 시스템과 복잡하게 상호작용하며, 이러한 상호작용은 다감각 통합, 감정 처리, 인지 기능, 그리고 다른 감각 시스템의 조절에 중요한 역할을 합니다.

AON 출력의 억제 효과가 특정 상황이나 행동적 맥락에서 역전되거나 조절될 수 있으며, 그렇다면 어떤 메커니즘을 통해 이루어질까요?

네, AON 출력의 억제 효과는 특정 상황이나 행동적 맥락에 따라 역전되거나 조절될 수 있습니다. 이러한 조절은 다양한 메커니즘을 통해 이루어질 수 있으며, 몇 가지 가능성은 다음과 같습니다.

상위 피질 영역 (Higher-order cortical areas)의 피드백 조절: AON은 전두피질 (PFC), 편도체 (Amg), 해마 (HP) 등 상위 피질 영역으로부터 다양한 입력을 받습니다. 이러한 상위 피질 영역은 현재의 행동 목표, 감정 상태, 과거 경험 등을 바탕으로 AON의 활동을 조절하여 억제 효과를 상황에 맞게 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 배고픈 상태에서 음식 냄새를 맡으면 전두피질은 AON의 억제 효과를 감소시켜 음식 냄새에 대한 민감도를 높이고, 음식 섭취 행동을 촉진할 수 있습니다.

신경 조절 물질 (Neuromodulators)에 의한 조절: 세로토닌, 도파민, 노르에피네프린과 같은 신경 조절 물질은 AON 뉴런의 흥분성과 억제성 시냅스 전달의 강도를 조절하여 AON 출력의 억제 효과를 변화시킬 수 있습니다. 예를 들어, 스트레스 상황에서는 노르에피네프린 분비가 증가하여 AON의 억제 효과를 감소시키고, 위험 신호에 대한 후각 민감도를 높일 수 있습니다.

시냅스 가소성 (Synaptic plasticity)에 의한 조절: AON과 연결된 뉴런들 사이의 시냅스 연결 강도는 경험에 따라 장기적으로 변화할 수 있습니다. 이러한 시냅스 가소성은 AON 출력의 억제 효과를 장기간에 걸쳐 조절하는 데 기여할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 냄새와 함께 반복적으로 불쾌한 경험을 하게 되면, 해당 냄새 정보를 전달하는 AON 뉴런과 연결된 억제성 시냅스의 강도가 증가하여 해당 냄새에 대한 억제 효과가 강화될 수 있습니다.

흥분성 및 억제성 뉴런 사이의 균형 변화: AON은 흥분성 뉴런과 억제성 뉴런으로 이루어져 있으며, 이들 사이의 활동 균형은 AON 출력의 억제 효과를 결정하는 중요한 요인입니다. 특정 상황이나 행동적 맥락에 따라 흥분성 또는 억제성 뉴런의 활성이 선택적으로 조절되어 AON 출력의 억제 효과가 역전되거나 조절될 수 있습니다. 예를 들어, 새로운 환경에 노출되면 AON의 흥분성 뉴런 활성이 증가하여 새로운 냄새에 대한 탐색 행동을 촉진하고, 익숙한 환경에서는 억제성 뉴런 활성이 증가하여 불필요한 정보 처리를 줄일 수 있습니다.

결론적으로, AON 출력의 억제 효과는 고정된 것이 아니라, 상위 피질 영역의 피드백, 신경 조절 물질, 시냅스 가소성, 흥분성 및 억제성 뉴런 사이의 균형 변화 등 다양한 메커니즘을 통해 상황에 맞게 역동적으로 조절될 수 있습니다.

후각 네트워크, 특히 AON과 피리폼 피질 간의 연결성의 차이는 후각 기억 형성 및 회상에 어떤 영향을 미칠까요?

AON과 피리폼 피질은 후각 정보 처리에 중요한 역할을 하는 두뇌 영역이며, 이들 간의 연결성 차이는 후각 기억 형성 및 회상에 큰 영향을 미칩니다.
AON은 후각 정보를 처리하고 전달하는 데 중요한 역할을 하며, 단기 후각 기억 (Short-term olfactory memory) 및 후각 정보의 감정적 가치 (Emotional valence of olfactory information) 처리에 관여합니다. AON은 **해마 (HP)**와 직접적인 연결을 통해 후각 기억 형성에 기여하며, **편도체 (Amg)**와의 연결을 통해 후각 정보에 대한 감정적 반응을 조절합니다. AON의 손상은 후각 기억 형성 및 후각 정보의 감정적 가치 판단에 어려움을 초래할 수 있습니다.
**피리폼 피질 (Piriform cortex)**은 후각 정보를 장기 기억으로 통합하는 데 중요한 역할을 하며, 후각 지각 (Odor perception), 후각 변별 (Odor discrimination), 후각 기억 (Olfactory memory) 형성에 관여합니다. 피리폼 피질은 해마, 편도체, 안와전두피질 (OFC) 등 다양한 뇌 영역과 연결되어 후각 정보를 다른 감각 정보와 통합하고, 후각 기억을 장기 기억으로 저장하며, 후각 정보에 대한 복잡한 행동 반응을 조절합니다. 피리폼 피질의 손상은 후각 지각 능력 저하, 후각 변별 어려움, 후각 기억 형성 및 회상 장애를 유발할 수 있습니다.
AON과 피리폼 피질 간의 연결성 차이는 다음과 같은 영향을 미칩니다.

후각 기억의 지속 시간: AON은 단기 후각 기억에 관여하는 반면, 피리폼 피질은 장기 후각 기억 형성에 중요한 역할을 합니다. AON에서 피리폼 피질로의 정보 전달은 단기 후각 기억이 장기 기억으로 전환되는 데 중요하며, 이 연결성의 차이는 후각 기억의 지속 시간에 영향을 미칠 수 있습니다.

후각 기억의 내용: AON은 후각 정보의 감정적 가치 처리에 더 특화된 반면, 피리폼 피질은 후각 정보 자체의 처리 및 다른 감각 정보와의 통합에 더 중점을 둡니다. 따라서 AON과 피리폼 피질은 서로 다른 유형의 후각 기억 형성에 기여할 수 있으며, 이는 후각 경험을 다양한 측면에서 기억하고 회상할 수 있도록 합니다.

후각 기억의 회상: AON은 후각 정보를 빠르게 처리하고 전달하여 신속한 후각 기억 회상을 가능하게 합니다. 반면, 피리폼 피질은 후각 정보를 더 자세히 분석하고 처리하여 정확하고 풍부한 후각 기억 회상을 가능하게 합니다.

결론적으로, AON과 피리폼 피질은 후각 정보 처리에 있어 상호 보완적인 역할을 수행하며, 이들 간의 연결성 차이는 후각 기억의 지속 시간, 내용, 회상 방식 등에 영향을 미칩니다. 이러한 연결성의 차이는 후각 경험을 다양한 측면에서 기억하고 회상할 수 있도록 하며, 후각 정보를 바탕으로 환경에 적응하고 생존하는 데 중요한 역할을 합니다.