학습행동 조절인자에 대한 신경행동학적 연구

1. 학습행동 조절인자에 대한 신경행동학적 연구 김 동 구 연세의대 약리학교실

2. 연구과제의 학제적 위치 뇌과학 뇌공학 분자 세포 조직 행동 행동을 중심으로 조직, 세포, 분자 수준으로 연구방향이 진행되기에 뇌공학 분야와의 상호 교류가 용이하다.

3. 환경자극 연구의 필요성 개체(뇌) 반응 -------- 행동 ------- 타고난 행동 기술적: 뇌기능 표출에 기본적인 생물학적 기전을 밝힘 경제, 산업적: 인공 뇌, 학습능력 관계약물 개발 사회, 문화적: 인간행동에 관한 개념 정립 배운 행동 Classical conditioning Operant conditioning

4. 스트레스 인자 물리적 정신적 사전경험 연구의 가설 조절가능성 결정 5-HT system? 조절가능한 스트레스 조절불가능한 스트레스 중추 norepinephrine system 교감-부신수질계, 시상하부-뇌하수체-부신피질계 행동계, 신경-내분비계, 면역계 탄력적 대응 (행동, 인지, 감정) 연합뇌 재구성 (구조, 기능) 신경회로망 강화 (학습) 스트레스성 질환 (비정상행동)

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 스트레스 환경자극 5-HT system 5-HT1A/5-HT2A/2C 각종 신경전달물질계 Ach, DA, NE, Peptides, etc 행동변이 학습

6. 연구목표 및 내용 년도 1998 1999 2000 연구개발목표 1. 자가학습검사 분석기술 확립 2. 5-HT 함량 및 관계 유전자 표현 분석기술 확립 스트레스에 의한 자가학습기능 변동에 관련된 5-HT계 변동 규명 5-HT계 변동으로 인한 자가학습기능 변동 규명 연구개발 내용 및 범위 1. 자가학습검사의 각종 parameter 분석 2. 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-HT계를 변동시키는 약물을 투여하여 뇌기능을 변동시켰을 때 나타나는 자가학습 기능 변동을 규명하므로 5-HT계 역할을 증명하고, 이로써 학습기능 향상 기술 기반 제공 연구1단계(1998-2000) 1) 자가학습행동 분석기술 확립 2) 학습기능발현에서 5-HT계 역할 규명

7. 행동 제1차년도 신경화학(조직,세포,분자) 추진전략 및 방법 스트레스 5-HT계 행동 제2차년도 스트레스 행동 5-HT계 제3차년도 행동 Autoshaped learning test, Progressive ratio test 조직 Brain, Adrenal gland 세포 Serotonergic (catecholaminergic) cells 분자 Serotonin (catecholamines) contents, receptors, biosynthetic enzyme 제1차년도: 1. 자가학습검사 분석 및 신경화학검사 법 확립 2. Footshock 스트레스 노출법 확립

8. Standard Operant Chamber (Skinner Box )

9. Progressive fixed ratio test (170 days old rats) Males 600 Saline Meth 500 400 Lever Pressing 300 * * 200 * 100 0 1 2 4 8 16 32 64 128 Autoshaped learning test with delayed reinforcement 자가학습검사법 Retractable lever Lever touch Reinforcer Strip touch Autoshaped learning test (150 days old rats) Males 12 10 8 Extended Lever Touch 6 4 Saline 2 Methamphetamine 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

10. 생애초기 footshock 스트레스와 5-HT FEMALES FEMALES 1.5 3000 * 2500 1.0 2000 ACTIVITY COUNT RATIO OF 5-HIAA/5-HT 1500 0.5 1000 * 500 0.0 0 NH H IS 2S NH H IS 2S GROUP GROUP 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).

11. NH H N2 NAN K NAN+N2 K+N2 생애초기 저산소 스트레스와 5-HT 5-HT 1A 5-HT 2A/2C 10 MALES 10 700 8 600 8 6 pKd (-log M) 500 * ** pKd (-log M) 6 AMBULATORY ACTIVITY 400 4 300 4 * * ** 200 2 2 100 0 0 H N2 NAN NAN+N2 0 H N2 NAN NAN+N2 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 GROUP GROUP TIME (min) 5-HT 1A 5-HT 2A/2C 5 FEMALES * 7 700 4 * * 6 600 * ** * 5 500 3 Bmax (pmole/g) Bmax (pmole/g) ** ** * * 4 400 AMBULATORY ACTIVITY 2 * * 3 300 200 2 1 100 1 0 0 0 H N2 NAN NAN+N2 H N2 NAN NAN+N2 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 GROUP GROUP TIME (min) Fig. 2. Exploratory activity (PND 40-55) and 5-HT receptor characteristics (PND 100) in ratsexposed to hypoxia (N2) with NAN-190 (NAN) or ketanserin (K) on PND 2.

12. 태아기 허혈 스트레스와 5-HT

13. 태아기 허혈 스트레스와 5-HT

14. 태아기 허혈 스트레스와 5-HT

15. 태아기 허혈 스트레스와 5-HT 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. Males Females 5-HIAA 5-HT 5-HIAA 5-HT 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              Frontal Cx Hippocampus Thalamus HASP Striatum Cbll Brain stem                                                                      *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

16. 뇌기능 표출과정에서 연구의 위치 환경자극 환경자극

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