청각 유발 각성은 잠재적 위험에 대응하는 동물의 방어 기전이다. 시상(thalamus)은 감각 정보를 피질로 전달하는 신경 기질이지만, 느린 파 수면(slow-wave sleep, SWS) 즉 깊은 수면 동안에는 그 기능이 저하된다. 그럼에도 불구하고 동물은 외부 감각 자극에 대한 반응으로 깨어날 수 있으며, 이는 이러한 반응에 관여하는 신경 회로의 존재를 시사한다. 여기서 우리는 kainate-class-type 이온성 글루탐산 수용체 소단위체 4(kainate-class-type ionotropic glutamate receptor subunit 4, GRIK4) 양성의 중간등쪽핵(mediodorsal, MD) 시상 뉴런이 SWS로부터의 각성을 위한 신경 기질로 작용한다는 것을 보고한다. 이 뉴런들은 SWS로부터의 각성 동안 활성화되며, 이들의 광자극(photoactivation)은 SWS로부터의 각성을 유도할 수 있다. 또한 우리는 이 뉴런들이 뇌간(brainstem)의 글루타메르그성 뉴런의 영향을 받으며, 이들 뉴런의 활동은 청각 유발 각성 동안 증가함을 보여준다. 이러한 결과는 뇌간-MD 경로가 SWS로부터의 각성(각성 상태로의 진입)을 매개할 수 있음을 시사한다.

포식자(포식) 사냥(predatory hunting)은 동물계 전반에 걸쳐 진화적으로 보존된 중요한 선천 행동의 한 유형이다. 이 과정은 일반적으로 먹이 탐색, 추적, 공격, 그리고 섭취를 포함하는 일련의 순차적 행동들의 집합으로 구성된다. 이러한 행동은 신경계에 의해 조절된다. 초기 연구에서는 사냥의 신경생태학(neuroethology)을 탐구하기 위해 두꺼비(toad)를 모델로 사용하였고, 그 결과 사냥 행동을 위한 감각-유발 방출 기제(sensory-triggered release mechanism)의 제안으로 이어졌다. 보다 최근의 연구들은 유전적으로 추적 가능한 제브라피시(zebrafish)와 설치류를 사용해, 이 행동을 뒷받침하는 신경생태학 및 신경회로(neurocircuits)에 대한 획기적인 발견을 이끌어 왔다. 여기에서는 사냥에 관여하는 정교한 신경회로를 검토하고, 감각 처리, 감각-운동 변환(sensorimotor transformation), 동기, 그리고 사냥 행동의 순차적 인코딩(sequential encoding) 등 다양한 측면의 사냥 신경생태학을 회로가 부호화(encode)하는 구체적 기제를 요약한다. 또한 사냥과 섭식에 공통되는 뇌 회로의 중첩(overlapping)을 논의하고, 현재 연구의 한계를 지적한다. 우리는 사냥이 동기화된 행동(motivated behaviors)의 신경생태학을 연구하기에 이상적인 행동 패러다임이라고 제안하며, 이는 폭식(binge-eating), 비만(obesity), 강박장애(obsessive-compulsive disorders) 등을 포함한 유행성(epidemic) 장애에 대해 새로운 관점을 제공할 수 있을 것이다.

공포와 연관된 표적에 대한 반복적 노출은 공황장애 또는 외상 후 스트레스 장애(PTSD) 환자에게 시행되는 전형적인 치료이다. 노출치료의 성공은 이를 회피하려는 타고난 동기에도 불구하고 공포를 유발하는 표적을 능동적으로 탐색하는 데 달려 있다. 여기서 우리는 내측 전시상영역(medial preoptic area)의 CaMKIIα 양성 뉴런에서 복측(periventral) 주뇌수도관회색질(ventral periaqueductal gray, vPAG)로 이어지는 회로가 마우스에서 공포 조건화 구역의 탐색과 이후의 공포 소거를 촉진함을 발견하였다. 이 회로를 활성화하거나 억제하는 경우, 특정 구역에 대한 선호/회피를 유도하지는 못했다. 한편 MPA-vPAG 회로 광자극에 의해 머리에 장착한 물체를 쫓으려는 동기가 유발되어, 공포 조건화 구역에 반복적으로 들어가게 되었을 때 공포 소거가 촉진되었다. 본 연구 결과는 뇌가 공포를 유발하는 표적의 회피에 대항하는 소거 기억을 형성하는 과정을 보여주며, 노출치료의 회로 기반 기전을 시사한다.

회피, 접근, 포식은 동물의 생존에 근본적인 본능적 행동의 예이다. 이러한 행동들을 하나로 통합하는 것은 위협의 평 가이며, 이는 이러한 선택지들 사이에서 결정을 내리기 위해 요구된다. 우리는 포괄적 종설을 제시하는 것은 아니지만, 이 행동들의 신경 회로와 유전적 정체성을 밝혀낸 옵틱(optic) 기법을 활용한 최근 연구들을 폭넓게 검토한다.

미토콘드리아 기능장애는 신경퇴행성 질환에서 수렴적으로 나타나는 공통 특징이며, 조기 진단과 치료를 위한 유망한 바이오마커를 의미한다. 그러나 현재의 in vitro 분석법은 형광 또는 전자현미경에 의존하고 있어 침습적이며 처리량이 낮고, 장기추적 분석과 호환되지 않는다. 본 연구에서는 무표지 광학 회절 단층촬영(optical diffraction tomography, ODT)과 소기관(organelles) 인지 표현 학습을 통합하여, 생체 내 사람 유도만능줄기세포(hiPSC) 유래 뉴런에서 미세한 미토콘드리아 기능장애를 검출하는 비침습적 프레임워크를 제시한다. 핵, 리소좀, 미토콘드리아를 대상으로 한 가상 염색(virtual staining)을 통해, 상호 보완적이며 해석 가능한 두 가지 분류 파이프라인을 구축하였다. 즉, 소기관 인지 인코더를 갖춘 딥러닝 모델과 형태계측(morphometric) 지표에 기반한 로지스틱 회귀 모델이다. 두 모델 모두 약 85%의 정확도를 달성하였는데, 딥러닝 모델은 최소한의 특성 공학으로 종단 간(end-to-end) 예측을 제공하는 반면, 로지스틱 회귀 모델은 보다 해석 가능한 특성 기반 접근을 제공한다. 우리가 아는 한, 본 연구는 생체 내 사람 뉴런에서 ODT 기반 소기관 분해능(organelles-resolved) 가상 염색을 최초로 시연한 것으로, 미토콘드리아 질환 모델링, 약물 발견, 신경퇴행성 연구를 위한 확장 가능한 비침습 플랫폼을 확립한다.

파킨슨병(Parkinson's disease, PD)은 진행성 신경퇴행성 질환으로, 복잡한 운동 증상을 나타내며 효과적인 질병-변형(disease-modifying) 치료제가 부족하다. 본 연구에서는 인공지능(AI)과 옵토제네틱(optogenetic) 중재를 통합한 optoRET를 통해, c-RET(REarranged during Transfection) 신호전달을 조절함으로써, 자유롭게 움직이는 수컷 AAV-hA53T 마우스에서 과제-독립적인 행동 평가와 치료적 이점을 가능하게 함을 보였다. 3차원 자세 추정(3D pose estimation) 기법을 활용하여, 우리는 전통적 방법보다 더 이른 시점에 더 높은 정확도로 PD 중증도 집단을 판별하는 트리 기반 AI 모델을 개발하였다. 또한 설명 가능한 AI(explainable AI) 기법을 사용하여, 보행 및 스펙트로-시간(spectro-temporal) 특성을 포함하는 광범위한 PD 행동 표지자를 확인하였다. 더 나아가, AI 기반 분석 결과 optoRET는 사지의 협응과 보행을 개선하고 흉부 떨림(chest tremor)을 감소시켜 PD의 진행을 효과적으로 완화함을 시사한다. 본 연구는 AI와 옵토제네틱 기술을 통합함으로써 광범위한 행동 평가를 수반하는 효율적인 진단 방법을 제공할 수 있음을 보여주며, PD를 위한 혁신적 치료 전략의 기반을 마련한다.

요약 불완전한 데이터로부터 행동을 종합적으로 해석하는 일은 계산적 동물행동학(computational ethology)에서 근본적인 과제이다. 본 연구에서는 변환기(Transformer) 기반 추정 및 재구성을 위한 마스크드 오토인코더(Masked Autoencoder for Transformer-based Estimation and Reconstruction, MATER)를 제시한다. MATER는 전략적으로 마스킹된 신체 핵심점(body keypoints)을 재구성함으로써 라벨이 없는 설치류 포즈 데이터로부터 행동적으로 유의미한 표현을 추출하는 비지도(self-supervised) 학습 프레임워크이다. 이 접근법은 광범위한 수작업 주석을 요구하지 않으면서도 기본적인 움직임 패턴을 포착하며, 사회적 상호작용 중의 가림(occlusions)과 추적 오류(tracking errors) 등 흔한 실험상의 문제를 해결한다. 우리는 2차원 및 3차원 설치류 포즈 데이터셋 두 가지에서 MATER를 평가하였고, 핵심점 마스킹(keypoint masking) 수준이 높은 경우에도 강건함을 입증하였다. 이 프레임워크는 이러한 어려운 조건에서도 고충실도 재구성을 달성하며, 최소한의 감독만으로도 정확한 행동 분류를 지원하는 잠재 표현을 생성한다. 추가 분석을 통해 설치류의 움직임은 고유의 시공간(spatiotemporal) 구조를 보이며, 명시적인 라벨 없이도 이를 계산적으로 추론할 수 있음을 확인하였다. 재구성 성능은 움직임의 시간적 일관성(temporal coherence)과 밀접하게 연결되어 있어, 행동 표현에서 시간 동역학의 중요성을 강조한다. 이러한 결과는 동물의 행동이 계층적으로 조직되며 자연스러운 시간 의존성에 의해 지배된다는 새롭게 부상하는 관점을 재확인한다. MATER는 다양한 실험 맥락에서 복잡하고 자연스러운 행동을 분석하고자 하는 신경과학자들을 위한 견고하고 확장 가능한 도구를 제공함으로써, 행동 구조(behavioral architecture)와 그 신경적 기반에 대한 이해를 궁극적으로 진전시킬 것이다.

수컷 마우스에서 구애(courtship) 행동은 구애에 대한 욕구를 나타내는 동기적(appetitive) 단계와 결말을 맺는(consummatory) 단계로 구분되며, 구애 진행 단계에 따라 달라지고 계통(strain) 특이적인 양상을 보이는 초음파 발성(ultrasonic vocalizations, USV)을 동반한다. 이러한 차이가 있음에도 불구하고, 유전자가 상태(state) 및 계통에 따라 달라지는 USV 변이를 어떻게 기여하는지는 여전히 불분명하다. 본 연구에서는 근교계통(inbred)인 C57BL/6J(B6) 및 129S4/SvJae(129) 마우스 계통과 이들의 혼합배경 F2 자손에서 구애 중 USV 음절(syllable) 패턴을 조사하였다. 동기적 행동(예: 체위 및 anogenital sniffing) 동안 B6 및 129 수컷은 서로 다른 USV를 산출하였다. F2 수컷은 B6 및 129의 패턴이 조합된 형태로 USV를 발성하였으며, 이는 각 계통에 대한 연속적인 유사성과 상관관계가 있었다. 반면, 모든 집단은 교미 자세(mounting) 동안 놀라울 정도로 유사한 USV를 발성하였다. 이러한 결과는 동기적 단계와 결말을 맺는 단계가 서로 다른 유전적 기전에 의해 조절되며, 동기적 행동에서는 발성 다양성에 대한 진화적 압력에 의해 형성되고 결말 단계에서는 발성 보존이 이루어진다는 점을 시사한다. 이는 짝 유인에서의 유연성을 촉진하는 선택 압력에 적응하는 동시에 교미 성공의 일관성을 보장하도록 하는 적응을 지지한다.

청각 유발 각성은 잠재적 위험에 대응하는 동물의 방어 기전이다. 시상(thalamus)은 감각 정보를 피질로 전달하는 신경 기질이지만, 느린 파 수면(slow-wave sleep, SWS) 즉 깊은 수면 동안에는 그 기능이 저하된다. 그럼에도 불구하고 동물은 외부 감각 자극에 대한 반응으로 깨어날 수 있으며, 이는 이러한 반응에 관여하는 신경 회로의 존재를 시사한다. 여기서 우리는 kainate-class-type 이온성 글루탐산 수용체 소단위체 4(kainate-class-type ionotropic glutamate receptor subunit 4, GRIK4) 양성의 중간등쪽핵(mediodorsal, MD) 시상 뉴런이 SWS로부터의 각성을 위한 신경 기질로 작용한다는 것을 보고한다. 이 뉴런들은 SWS로부터의 각성 동안 활성화되며, 이들의 광자극(photoactivation)은 SWS로부터의 각성을 유도할 수 있다. 또한 우리는 이 뉴런들이 뇌간(brainstem)의 글루타메르그성 뉴런의 영향을 받으며, 이들 뉴런의 활동은 청각 유발 각성 동안 증가함을 보여준다. 이러한 결과는 뇌간-MD 경로가 SWS로부터의 각성(각성 상태로의 진입)을 매개할 수 있음을 시사한다.

포식자(포식) 사냥(predatory hunting)은 동물계 전반에 걸쳐 진화적으로 보존된 중요한 선천 행동의 한 유형이다. 이 과정은 일반적으로 먹이 탐색, 추적, 공격, 그리고 섭취를 포함하는 일련의 순차적 행동들의 집합으로 구성된다. 이러한 행동은 신경계에 의해 조절된다. 초기 연구에서는 사냥의 신경생태학(neuroethology)을 탐구하기 위해 두꺼비(toad)를 모델로 사용하였고, 그 결과 사냥 행동을 위한 감각-유발 방출 기제(sensory-triggered release mechanism)의 제안으로 이어졌다. 보다 최근의 연구들은 유전적으로 추적 가능한 제브라피시(zebrafish)와 설치류를 사용해, 이 행동을 뒷받침하는 신경생태학 및 신경회로(neurocircuits)에 대한 획기적인 발견을 이끌어 왔다. 여기에서는 사냥에 관여하는 정교한 신경회로를 검토하고, 감각 처리, 감각-운동 변환(sensorimotor transformation), 동기, 그리고 사냥 행동의 순차적 인코딩(sequential encoding) 등 다양한 측면의 사냥 신경생태학을 회로가 부호화(encode)하는 구체적 기제를 요약한다. 또한 사냥과 섭식에 공통되는 뇌 회로의 중첩(overlapping)을 논의하고, 현재 연구의 한계를 지적한다. 우리는 사냥이 동기화된 행동(motivated behaviors)의 신경생태학을 연구하기에 이상적인 행동 패러다임이라고 제안하며, 이는 폭식(binge-eating), 비만(obesity), 강박장애(obsessive-compulsive disorders) 등을 포함한 유행성(epidemic) 장애에 대해 새로운 관점을 제공할 수 있을 것이다.

공포와 연관된 표적에 대한 반복적 노출은 공황장애 또는 외상 후 스트레스 장애(PTSD) 환자에게 시행되는 전형적인 치료이다. 노출치료의 성공은 이를 회피하려는 타고난 동기에도 불구하고 공포를 유발하는 표적을 능동적으로 탐색하는 데 달려 있다. 여기서 우리는 내측 전시상영역(medial preoptic area)의 CaMKIIα 양성 뉴런에서 복측(periventral) 주뇌수도관회색질(ventral periaqueductal gray, vPAG)로 이어지는 회로가 마우스에서 공포 조건화 구역의 탐색과 이후의 공포 소거를 촉진함을 발견하였다. 이 회로를 활성화하거나 억제하는 경우, 특정 구역에 대한 선호/회피를 유도하지는 못했다. 한편 MPA-vPAG 회로 광자극에 의해 머리에 장착한 물체를 쫓으려는 동기가 유발되어, 공포 조건화 구역에 반복적으로 들어가게 되었을 때 공포 소거가 촉진되었다. 본 연구 결과는 뇌가 공포를 유발하는 표적의 회피에 대항하는 소거 기억을 형성하는 과정을 보여주며, 노출치료의 회로 기반 기전을 시사한다.

회피, 접근, 포식은 동물의 생존에 근본적인 본능적 행동의 예이다. 이러한 행동들을 하나로 통합하는 것은 위협의 평 가이며, 이는 이러한 선택지들 사이에서 결정을 내리기 위해 요구된다. 우리는 포괄적 종설을 제시하는 것은 아니지만, 이 행동들의 신경 회로와 유전적 정체성을 밝혀낸 옵틱(optic) 기법을 활용한 최근 연구들을 폭넓게 검토한다.