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주성분분석을 이용한 토끼 망막 신경절세포의 활동전위 파형 분류
PCA­based Waveform Classification of Rabbit Retinal Ganglion Cell Activity 원문보기

의학물리 = Korean journal of medical physics, v.14 no.4, 2003년, pp.211 - 217  

진계환 (충북대학교 의과대학 의공학교실) ,  조현숙 (충북대학교 의과대학 생리학교실) ,  이태수 (충북대학교 의과대학 의공학교실) ,  구용숙 (충북대학교 의과대학 생리학교실)

초록
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주성분분석은 잘 알려진 데이터 분석 방법으로써 높은 차원의 데이터를 낮은 차원의 데이터로 표현하는데 효과적이어서 얼굴인식, 데이터 압축 등에 이용되고 있다. 주성분분석을 하게 되면 원 데이터의 공분산 행렬로부터 정규직교한 고유벡터와 해당하는 고유치를 얻게 되고 그 중 큰 값을 가지는 고유벡터 들을 선택하여 선형 변환함으로써 데이터의 차원을 줄일 수 있게 된다. 망막에 빛 자극이 인가되면 시세포 층에서 전기신호로 변환된 후 복잡한 신경회로를 거쳐 최종적으로 신경절세포 층에서 활동전위의 형태로 출력되게 된다. 본 연구에서는 다채널전극을 사용하여 여러 개 망막 신경절세포로부터 유래되는 활동전위를 기록한 후 개개의 신호를 구분하는 과정을 거치고, 이어서 그 신호를 만들어 내는 각 뉴론들끼리의 시간적, 공간적 흥분발사 패턴을 이해함으로써 궁극적으로 시각정보 인코딩 기전을 밝히려는 연구 목표하에 그 첫 단계로서 망막 신경절세포의 활동전위를 기록한 후 분류하는 과정을 성공적으로 수행하였기에 그 내용을 서술하고자 한다. 망막에서 기록되는 신경절세포 활동전위는 불규칙하고 확률적이기 때문에 주성분분석을 통하여 그 유형을 분류할 수 있었다. 토끼 눈으로부터 망막을 박리하여 망막조각을 얻은 후 신경절세포 층이 전극표면을 향하도록 전극에 부착하였다. 8${\times}$8의 microelectrode array (MEA)를 전극으로 사용하였고, 증폭기는 MEA 60 system을 사용하여 신경절세포 활동전위를 기록하였다. 활동전위 기록 후 파형 분류를 하였다. 잡음이 섞여있는 기록으로부터 신호를 검출하기 위하여, 잡음역치($\pm$3$\sigma$)를 설정하였다. 역치를 넘는 파형 만을 획득한 후 주성분분석을 통해 각 파형의 첫 번째 주성분, 두 번째 주성분을 계산하여 2차원 평면에 투사함으로써 몇 개의 의미있는 클러스터를 얻었다. 이 클러스터는 곧 각 신경절세포에서 유래되는 파형을 반영하므로 주성분분석을 통하여 망막 신경절세포의 활동전위를 각 세포별로 분류할 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The Principal component analysis (PCA) is a well-known data analysis method that is useful in linear feature extraction and data compression. The PCA is a linear transformation that applies an orthogonal rotation to the original data, so as to maximize the retained variance. PCA is a classical techn...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 국소적인 부위에 빛 자극이 가해지더라도 이를 처리하기 위하여는 수많은 뉴론들이 관여하여야 하므로 시각 정보를 처리하는 과정에 있어서 신경절세포 집단이 인코딩하는 방법은 기존의 단일 신경절 세포에서 얻은 정보로부터 유추한 처리 방법과는 분명 차이점을 보일 것이다. 그리고 기존의 세포 외 기록법에서 전제로 한 "망막 신경절 세포는 서로 독립적이다 가정 자체가 의문시되므로 본 연구에서는 최근에 개발된 멀티채널 기록법을 사용하여 망막 신경절 세포 집단의 활동 전위를 기록, 분석함으로써 개개의 뉴론이 아닌 망막신경망 전체에서의 신호처리를 연구하고자 하는 장기적인 연구 목표 하에 그 첫 단계로서 망막 신경절 세포 활동전위를 기록한 후, 오프라인에서 주성분 분석을 통하여 신호의 통계적 특성을 반영하는 클러스터를 그려내고, 그 클러스터가 반영하는 파형을 분류할 수 있음을 보였다. 본 연구진이 토끼 망막 신경절 세포의 직경을 조직학적으로 확인한 결과 10 /㎛ (미발표 데이터)이었으므로, 본 실험에서 직경 30 ㎛ 전극간 거리 200 ㎛ 인 다채널 전극을 사용하였다는 점을 감안할 때 다채널 전극의 각각의 채널에 기록된 신호는 의심의 여지없이 서로 다른 신경절 세포에서 유래된 활동전위임이 확실하다.
  • 본 논문에서는 이러한 연구 과정의 제 첫 단계인 망막 신경절 세포의 활동 전위를 다채널 전극으로 기록한 후각 채널별로 활동 전위를 분류하는 과정을 직접 실험을 통하여 성공적으로 수행하였기에 그 내용을 서술하고자 한다. 뉴론의 활동전위를 구분하는 접근법은 크게 1) 파형으로부터 각종 파라미터를 도출하는 방법, 2) 주형과 비교하는 방법 (template matching) 3) 주성분 분석을 이용하는 방법으로 나눌 수 있다.

가설 설정

  • - Retinal piece attached on MEA - Real time recording window of retinal ganglion cell activity : 60 channels are shown. (b) Schematic cross-section of MEA, not to scale.
  • Duration of window was set with 1600 psec. (c) Waveform window shows the superimposed waveforms aligned at the threshold crossing times.
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