보고서 정보
주관연구기관 |
가톨릭대학교 Catholic University of Korea |
연구책임자 |
김인범
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-06 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201700011229 |
과제고유번호 |
1711024333 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2017-10-12
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키워드 |
커넥톰.시냅스.망막.3차원 재구성.전자현미경.리본시냅스.광수용세포.두극세포.수평세포.Connectome.Synapse.Retina.3-D Reconstruction.Electron Microscopy.Ribbon Synapse.Photoreceptor.Bipolar Cell.Horizontal Cell.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700011229 |
초록
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□ 연구의 목적 및 내용
최근 뇌신경과학 분야의 가장 큰 이슈인 “커넥톰” 연구의 주요 기반기술인 현미경, 특히 전자현미경 및 영상분석을 이용하여 세포 및 시냅스 수준의 미시적인 연결성을 파악하는 3차원 시냅스재구성 기술을 개발하고, 이를 이용하여 중추신경계통의 한 부위이며 커넥톰 연구의 선호 영역인 망막의 시냅스기전을 이해하고자 커넥톰 연구의 시냅스 분석 기반기술인 3차원 시냅스 재구성 기술을 개발하고 커넥톰 연구를 위한 최적의 중추신경영역인 망막에서 이를 적용하여 시냅스 기전을 이해하고, 망막질환 동물모델에 적용함으로써 이
□ 연구의 목적 및 내용
최근 뇌신경과학 분야의 가장 큰 이슈인 “커넥톰” 연구의 주요 기반기술인 현미경, 특히 전자현미경 및 영상분석을 이용하여 세포 및 시냅스 수준의 미시적인 연결성을 파악하는 3차원 시냅스재구성 기술을 개발하고, 이를 이용하여 중추신경계통의 한 부위이며 커넥톰 연구의 선호 영역인 망막의 시냅스기전을 이해하고자 커넥톰 연구의 시냅스 분석 기반기술인 3차원 시냅스 재구성 기술을 개발하고 커넥톰 연구를 위한 최적의 중추신경영역인 망막에서 이를 적용하여 시냅스 기전을 이해하고, 망막질환 동물모델에 적용함으로써 이행성커넥톰 연구의 가능성을 확인함
□ 연구결과
• 3차원 시냅스 재구성 기술개발: 일반 투과전자현미경(TEM)을 이용한 3차원 재구성을 위한 초박연속절편 위치보정기술과 TEM 및 Focused Ion-Beam 주사전자현미경(FIB-SEM)을 이용한 각 시냅스 성분 인식 및 시냅스리본과 연접후밀도 성분반영기술, 부피부여기술 등을 확립함 망막의 광수용세포 종말의 리본시냅스를 3차원 재구성하고 영상분석을 통하여 시냅스효율을 평가함
• 망막의 광수용세포 말단의 기본시냅스 3차원 모델 제작: 위에 확립한 기술을 이용하여 광수용세포인 막대세포와 원뿔세포 종말의 리본시냅스 3차원 모델을 제작함. 연접후성분 중 가쪽성분인 수평세포 가지돌기는 2개의 돌기들이 각각 한쪽 성분을 이루고, 생각보다 훨씬 복잡한 형태를 보여주고 있었는데, 이는 충분한 연접후밀도를 확보하기에 적합한 구조임. 또한 막대세포말단인 spherule의 함입부에는 막대두극세포의 가지돌기가 1~3개가 위치하여 연접후성분이 triad, tetrad, pentad의 형태로 관찰됨. 특히 triad와 tetrad에서 가지돌기 종말은 독특한 모양을 나타내었는데, 이는 막대두극세포의 시냅스 효율 및 그 kinetics를 변형시킴으로써, 막대두극세포의 종류를 적어도 2가지 이상의 아형으로 분류할 수 있음을 시사하는 증거임
• 망막의 광수용세포 말단의 시냅스단백질 동정 및 위치 결정: 광수용세포 말단의 리본시냅스를 이루는 RIM1, 2, Munc13, CAST1 및 Ca2+ channel α1 subunit (Panα1)의 6종류 시냅스단백질을 동정하고 그 위치를 미세구조 수준에서 결정함
• 망막의 리본시냅스에서 꼬리전류의 정체와 기능 규명: 망막의 광수용세포와 막대두극세포에서 알려진 독특한 전류인 꼬리전류의 특성 중 L-type Ca channel에 의한 조절과 강화(potentiation) 현상을 밝히고, 이 채널이 막대두극세포가 빠르게 안정막 전위로 복귀하여 다음 신호에 반응할 수 있도록 준비시키는 기능을 수행함을 제시함
• 이행성 망막커넥톰 연구 가능성 확인: blue-LED light 유도 망막변성 생쥐 동물모델을 개발하여 이의 특성을 기술하였고, 이러한 특성 중 산화손상과 관련된 미토콘드리아 손상을 TEM을 통해 확인하였으며, 이를 위에 개발한 3차원 커넥톰 기술을 적용하여 미세구조 수준에서 이해하기 위한 표본을 제작하여 관찰 중임
□ 연구결과의 활용계획
커넥톰 연구분야 중 세포 및 시냅스 수준의 미시적인 연결성 파악 연구의 핵심기반기술인 3차원 시냅스재구성 기술을 개발・확보함으로써 세계 각 연구그룹과의 경쟁이 가능하여 지고, 망막 커넥톰 및 뇌의 각 영역 커넥톰 연구에 적극 활용할 수 있음
‣ 본 연구를 통해 얻어진 정상 망막의 커넥톰 정보는 망막에서 시각정보 처리기전 이해 및 망막의 리본시냅스 작동기전과 같은 망막 신경원에 대한 기초과학 뿐만 아니라 망막색소변성증, 황반변성증, 녹내장과 같은 망막 손상이 초래되는 질병의 구조적, 병태생리적 이해를 위한 이행성 커넥톰 연구의 중요한 자료로 활용할 수 있음
‣ 본 연구를 통해 개발된 전자현미경 자료의 3차원 영상구축 기술은 해부, 조직학 분야에서 우리 신체 각 기관 및 조직의 구조 및 기능 연구에 널리 활용될 것이며, 영상의학 분야에서의 활용 또한 기대됨
( 출처 : 요약문 4p )
Abstract
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□ Purpose&contents
● Purpose: This research is aiming at development of technique for 3-dimensional(3D) reconstruction of the synapse, which is an essential technique for understanding of neuronal connections in the Connectome project that is a highlight in neuroscience research field, and subseq
□ Purpose&contents
● Purpose: This research is aiming at development of technique for 3-dimensional(3D) reconstruction of the synapse, which is an essential technique for understanding of neuronal connections in the Connectome project that is a highlight in neuroscience research field, and subsequently at application of the technique for the resolution of unsolved questions of synaptic mechanisms in the retina which belongs to the central nervous system and is the preferred target for the Connectome project.
● Contents: Acquisition of methods for serial sectioning, alignment, recognition of synaptic elements and volume rendering of the retina for 3D reconstruction of the synapse
Connectomic analysis through 3D reconstruction of ribbon synapses at photoreceptor and bipolar cell terminals
Test for translational connectomic analysis in animal models for retinal degeneration
□ Result
▷ Development of technique for 3D reconstruction of the synapse: We developed methods for serial sectioning, alignment, recognition of synaptic elements and volume rendering of the retina for 3D reconstruction of the synapse and thus, we could become synaptic efficiency using 3D synapse models.
▷ Production of 3D models of the ribbon synapse formed at photoreceptor and bipolar cell terminals: Using 3D reconstruction technique, we made ribbon synapse models(images) formed at rod spherule, cone pedicle, ON and OFF bipolar cell terminals and analyzed anatomical differences and estimated functional efficiencies.
▷ Identification and subcellular localization of synaptic proteins at photoreceptor ribbon synapses: We identified six presynaptic proteins, KIF3A, RIM1, 2, Munc13, CAST1, Ca2+ channel α1 subunit (Panα1) and determined their subcellular location at photoreceptor terminals.
▷ Identity and functional consequence of the tail current at rod bipolar ribbon synapse: We found that ANO1, a calcium-activated chloride channel, had dual activation mode and acted as an intrinsic regulator at the rod bipolar terminals.
▷ Test for translational retinal connectome: We generated and characterized a new animal model for retinal degeneration induced by blue-LED. We found mitochondrial damage related to excessive ROS by conventional transmission electron microscopy.
□ Expected Contribution
♦ Through a technical initiative acquired by this study, it is expected that we can compete with other developed countries and lead in the field of brain connectome. In addition, it is expected to be involved in global brain connectome project.
♦ The information on retinal connectome acquired by this study will be applied to the basic science such as synaptic mechanisms in visual processing in the retina as well as the translational study to understand cause and pathogenesis of the incurable retinal diseases such as age-related macular degeneration, retinitis pigmentosa, and glaucoma.
♦ Technique for 3D reconstruction using transmission EM images acquired by this study will be applied to the anatomy and histology, which are studies on our body at gross and microscopic levels, respectively. In addition, it is expected to be applied to diagnostic imaging.
( 출처 : SUMMARY 5p )
목차 Contents
- 표지 ... 1목차 ... 2연구계획 요약문 ... 3연구결과 요약문 ... 4 한글요약문 ... 4 SUMMARY ... 5연구내용 및 결과 ... 6 1. 연구개발과제의 개요 ... 6 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 27 5. 연구결과의 활용계획 ... 33 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 34 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 35 8. 참고문헌 ... 35 9. 연구성과 ... 36 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 41 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 41 12. 기타사항 ... 42별첨1 ... 43끝페이지 ... 57
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