시스템 신경과학
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1. 개요
시스템 신경과학은 뇌의 여러 영역들이 상호작용하여 감각, 운동, 감정, 항상성 조절 등 복잡한 기능을 수행하는 원리를 연구하는 학문 분야이다. 행동 신경과학, 계산 모델링, 뇌 활동 측정을 통해 특정 기능을 담당하는 신경 회로의 작동 방식을 밝히는 데 초점을 맞춘다. 시스템 신경과학은 전기생리학적 관찰을 통해 유기체의 생물학적 시스템의 전기적 활동을 연구하며, 뇌파 검사, 뇌 영상 등의 기술을 활용하여 뇌 활동의 패턴을 분석한다.
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세포 신호전달은 세포가 환경 변화에 적응하고 다른 세포와 소통하기 위해 사용하는 복잡한 과정이며, 수용체를 통해 신호를 감지하고 다양한 신호전달 경로를 통해 세포의 생리학적 활동을 조절한다.
| 시스템 신경과학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 분야 | 신경과학, 시스템 생물학 |
| 하위 분야 | 계산 신경과학 인지 신경과학 발달 신경생물학 분자 신경과학 신경생리학 신경해부학 신경병리학 정신신경면역학 |
| 역사 | |
| 기원 | 신경과학 시스템 생물학 |
| 주요 발전 | 신경망 연구 뇌-컴퓨터 인터페이스 개발 신경 조절 기술 개발 |
| 연구 방법 | |
| 신경 기록 | 뇌파 (EEG) 뇌자도 (MEG) 침습적 뇌-컴퓨터 인터페이스 (iBCI) |
| 신경 조작 | 광유전학 심부 뇌 자극 (DBS) 경두개 자기 자극 (TMS) 경두개 직류 자극 (tDCS) |
| 계산 모델링 | 신경망 모델링 뇌 시뮬레이션 |
| 행동 분석 | 정신물리학 동물 행동 실험 인간 행동 실험 |
| 기타 | 유전체학 단백질체학 이미징 기술 (fMRI, PET) |
| 주요 연구 주제 | |
| 감각 및 운동 시스템 | 시각 시스템 청각 시스템 체성감각 시스템 운동 제어 |
| 인지 기능 | 학습 및 기억 의사 결정 주의 집중 언어 |
| 감정 및 동기 부여 | 보상 시스템 공포 및 불안 사회적 행동 |
| 신경 질환 | 알츠하이머병 파킨슨병 정신 분열증 우울증 자폐 스펙트럼 장애 |
| 관련 분야 | |
| 관련 학문 | 생물학 심리학 컴퓨터 과학 물리학 수학 |
| 관련 기술 | 인공지능 로봇 공학 의료 기기 |
2. 주요 분야
시스템 신경과학은 뇌의 여러 영역들이 상호작용하여 복잡한 기능을 수행하는 원리를 연구하는 학문이다. 감각, 운동, 감정, 항상성 조절 등 특정 기능을 담당하는 신경 회로의 작동 방식을 밝히는 데 초점을 둔다.
시스템 신경과학은 다음과 같은 주요 분야를 포함한다.
- 분자/세포 신경과학: 신경전달물질의 작용, 이온 채널의 역할, 시냅스 가소성 등을 분자생물학적 방법으로 연구한다.
- 발달 신경과학: 뇌와 신경계의 발생 과정, 신경줄기세포, 신경세포 분화, 축삭 유도, 시냅스 형성 등을 다룬다.
- 인지/행동 신경과학: 뇌 활동 패턴을 분류하고, 다양한 조건에서 뇌 활동 수준의 차이를 비교한다. (표상 차이 행렬 (RDM) 이용)
- 임상 신경과학: 뇌졸중, 치매, 파킨슨병, 뇌전증, 우울증, 조현병 등 뇌와 신경계 질환을 진단하고 치료하는 방법을 연구한다.
- 계산 신경과학: 뇌의 정보 처리 과정을 수학적 모델과 컴퓨터 시뮬레이션으로 연구한다. 신경망 모델, 인공지능, 기계 학습 등을 활용한다.
- 신경공학: 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI), 심부 뇌 자극술 (DBS), 인공 와우, 신경 보철 등 뇌와 신경계 기능을 조절하거나 대체하는 기술을 개발한다.
2. 1. 분자/세포 신경과학
분자 신경과학은 뉴런의 분자 수준에서의 활동을 연구하는 분야이다. 이 분야에서는 신경전달물질의 작용 기전, 이온 채널의 역할, 시냅스 가소성과 같은 현상을 분자생물학적 방법을 통해 탐구한다.[1] 분자 신경과학은 신경계의 기본적인 기능 단위를 이해하는 데 중요한 기여를 한다.2. 2. 발달 신경과학
발달 신경과학은 뇌와 신경계의 발생 과정을 연구하는 분야이다. 이 분야에서는 신경줄기세포, 신경세포 분화, 축삭 유도, 시냅스 형성 등의 과정을 다룬다.2. 3. 인지/행동 신경과학
시스템 신경과학의 하위 분야인 행동 신경과학은 표상 차이 행렬(RDM)에 초점을 맞추어 뇌 활동 패턴을 분류하고, 동물과 무생물을 관찰할 때 나타나는 뇌 활동 수준의 차이와 같이 다양한 조건에서 뇌 활동 패턴을 비교한다. 이러한 모델은 관찰된 패턴의 비교 가능한 모델을 제공하면서 행동에 대한 정량적 표현을 제공한다. 뇌 활동 패턴 간의 상관 관계 또는 반상관 관계는 자극이 제시될 때 각 뇌 영역의 처리를 구별하기 위해 실험 조건에서 사용된다.뇌 활동과 뇌 영상은 과학자들이 계산 모델 및 행동 신경 과학에 대한 이해와 함께 유기체의 기능적 시스템 간의 차이점을 이해하는 데 도움이 된다. 시스템 신경 과학의 세 가지 주요 분과는 신경 영상이 현재 상태에서 허용하는 것처럼 뇌 활동에 대한 가장 정확한 정보를 제공하기 위해 함께 작동한다. 뇌 활동 측정은 항상 개선될 수 있지만, 전 생리학을 통한 일반적인 영상 연구는 이미 유기체의 시스템과 그 시스템이 서로 어떻게 얽혀서 작동하는지에 대한 방대한 양의 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 시스템 신경 과학의 핵심 분과를 사용하여 과학자들은 뇌 활동의 차이점을 관찰하고 계산 모델링을 사용하여 기능하는 뇌와 편두통의 영향을 받는 뇌의 차이점을 비교하여 편두통이 신경계에 미치는 영향을 분석할 수 있었다.
2. 4. 시스템 신경과학
시스템 신경과학은 뇌의 여러 영역들이 상호작용하여 복잡한 기능을 수행하는 원리를 연구하는 학문이다. 감각, 운동, 감정, 항상성 조절 등 특정 기능을 담당하는 신경 회로의 작동 방식을 밝히는 데 초점을 둔다. 시스템 신경과학은 행동 신경과학, 계산 모델링, 뇌 활동 측정의 세 가지 주요 분과를 통해 뇌의 기능적 시스템이 어떻게 상호작용하는지 분석한다.- 행동 신경과학: 표상 차이 행렬(RDM)을 이용하여 뇌 활동 패턴을 분류하고, 다양한 조건에서 뇌 활동 수준의 차이를 비교한다.
- 계산 모델링: 뇌 활동 수준의 기본적인 형태를 제공하며, 단일 뉴런의 발화를 통해 유기체의 기능적 변화를 보여준다.
- 뇌 활동 측정: 뇌파 검사(EEG)와 뇌 영상을 통해 유기체의 기능적 시스템 간의 차이점을 이해하는 데 도움을 준다.
행동 신경과학은 표상 차이 행렬(RDM)에 초점을 맞추고 있으며, 이는 뇌 활동 패턴을 분류하고 동물과 무생물을 관찰할 때 뇌 활동 수준의 차이와 같이 다양한 조건에서 이를 비교한다. 이러한 모델은 관찰된 패턴의 비교 가능한 모델을 제공하면서 행동에 대한 정량적 표현을 제공한다. 뇌 활동 패턴 간의 상관 관계 또는 반상관 관계는 자극이 제시될 때 각 뇌 영역의 처리를 구별하기 위해 실험 조건에서 사용된다.
계산 모델은 뇌 활동 수준의 기본적인 형태를 제공하며, 이는 일반적으로 단일 뉴런의 발화로 표현된다. 이는 유기체의 기능적 변화 동안 발생하는 물리적 변화를 보여주기 때문에 시스템 신경과학을 이해하는 데 필수적이다. 이러한 모델은 뇌 활동을 이해하는 데 중요하지만, 뉴런 발화의 일대일 대응은 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 동일한 활동에 대한 다른 측정은 서로 동일하거나 적어도 유사해야 함에도 불구하고 서로 다른 패턴을 초래한다. 그러나 연구에 따르면 뇌를 측정하는 데 있어 근본적인 차이점이 나타나며, 과학은 이러한 비유사성을 조사하기 위해 노력하고 있다.
뇌 활동과 뇌 영상은 과학자들이 계산 모델 및 행동 신경 과학에 대한 이해와 함께 유기체의 기능적 시스템 간의 차이점을 이해하는 데 도움이 된다. 시스템 신경 과학의 세 가지 주요 분과는 신경 영상이 현재 상태에서 허용하는 것처럼 뇌 활동에 대한 가장 정확한 정보를 제공하기 위해 함께 작동한다. 뇌 활동 측정이 항상 개선될 수 있지만, 전기생리학을 통한 일반적인 영상 연구는 이미 유기체의 시스템과 그 시스템이 서로 어떻게 얽혀서 작동하는지에 대한 방대한 양의 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 시스템 신경 과학의 핵심 분과를 사용하여 과학자들은 뇌 활동의 차이점을 관찰하고 계산 모델링을 사용하여 기능하는 뇌와 편두통의 영향을 받는 뇌의 차이점을 비교하여 편두통이 신경계에 미치는 영향을 분석할 수 있었다.
시스템 신경과학은 유기체의 생물학적 시스템의 전기적 활동에 초점을 맞춘 전기생리학을 통해 관찰된다. 전기생리학 연구를 통해 신체의 다양한 시스템의 활동 수준은 비정상적인 심장 박동 리듬이나 뇌졸중과 같은 체계적인 기능의 이상을 설명하는 데 도움이 된다. 전기생리학의 주요 초점은 심장이지만, 다른 신체 기능과 관련된 뇌 활동에 대한 정보 스캔을 제공하며, 이는 시스템 간의 신경 활동 연결에 유용할 수 있다.
시스템 신경과학은 일반적으로 인간의 기능 수준과 관련하여 관찰되지만, 초파리에 대한 많은 연구가 수행되어 왔다. 이는 실험적 관점에서 더 단순한 뇌 구조와 더 제어 가능한 유전적 및 환경적 요인으로 인해 더 쉽게 연구할 수 있다고 여겨지기 때문이다. 초파리의 기능 능력과 인간의 기능 능력 사이에는 큰 차이점이 있지만, 이러한 연구는 인간의 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다.
신경 회로와 뉴런 발화는 신경 경로가 단순화되어 추적하기가 더 쉬워 기능적 뇌 영상으로 초파리에서 더 쉽게 관찰할 수 있다. 이러한 경로는 단순할 수 있지만, 뉴런 발화의 기초를 이해함으로써 시스템이 기능할 때 인간의 신경 경로에 대한 중요한 연구와 궁극적으로 일대일 뉴런 대응으로 이어질 수 있다.
2. 5. 임상 신경과학
뇌와 신경계의 질환을 진단하고 치료하는 방법을 연구한다. 뇌졸중, 치매, 파킨슨병, 뇌전증, 우울증, 조현병 등 다양한 신경계 질환을 다룬다.2. 6. 계산 신경과학
뇌의 정보 처리 과정을 수학적 모델과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 연구한다. 신경망 모델, 인공지능, 기계 학습 등의 기술을 활용한다. 계산 모델은 뇌 활동 수준의 기본적인 형태를 제공하며, 이는 일반적으로 단일 뉴런의 발화로 표현된다. 이는 유기체의 기능적 변화 동안 발생하는 물리적 변화를 보여주기 때문에 시스템 신경과학을 이해하는 데 필수적이다. 이러한 모델은 뇌 활동을 이해하는 데 중요하지만, 뉴런 발화의 일대일 대응은 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 동일한 활동에 대한 다른 측정은 서로 동일하거나 적어도 유사해야 함에도 불구하고 서로 다른 패턴을 초래한다. 그러나 연구에 따르면 뇌를 측정하는 데 있어 근본적인 차이점이 나타나며, 과학은 이러한 비유사성을 조사하기 위해 노력하고 있다.2. 7. 신경공학
뇌와 신경계의 기능을 조절하거나 대체하는 기술을 개발한다. 여기에는 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI), 심부 뇌 자극술 (DBS), 인공 와우, 신경 보철 등이 있다.[1]3. 학제간 연구
4. 관련 학문 분야
시스템 신경과학은 전기생리학을 통해 유기체의 생물학적 시스템의 전기적 활동에 초점을 맞추어 연구하는 분야이다. 전기생리학 연구를 통해 비정상적인 심장 박동 리듬이나 뇌졸중과 같은 체계적인 기능 이상을 설명할 수 있다. 전기생리학의 주요 초점은 심장이지만, 다른 신체 기능과 관련된 뇌 활동에 대한 정보 스캔을 제공하며, 이는 시스템 간의 신경 활동 연결에 유용할 수 있다.
시스템 신경과학은 일반적으로 인간의 기능 수준과 관련하여 관찰되지만, 초파리에 대한 많은 연구가 수행되어 왔다. 이는 초파리가 실험적 관점에서 더 단순한 뇌 구조와 제어 가능한 유전적 및 환경적 요인을 가지기 때문이다. 초파리의 기능과 인간의 기능 사이에는 큰 차이점이 있지만, 이러한 연구는 인간의 뇌 작동 방식에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다.
신경 회로와 뉴런 발화는 신경 경로가 단순화되어 추적하기 쉬운 초파리에서 기능적 뇌 영상을 통해 더 쉽게 관찰할 수 있다. 이러한 경로를 통해 뉴런 발화의 기초를 이해하고, 이를 통해 시스템이 기능할 때 인간의 신경 경로에 대한 중요한 연구와 일대일 뉴런 대응으로 이어질 수 있다.
5. 한국의 신경과학
(주어진 원본 소스가 비어있고, 이전 결과물도 비어있으므로, 작성할 내용이 없습니다.)
참조
[1]
간행물
Chapter 28 - Invasive Brain-Computer Interfaces and Neural Recordings From Humans
https://www.scienced[...]
Elsevier
2018-01-01
[2]
논문
System neuroscience: Past, present, and future
https://onlinelibrar[...]
2018-08
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