KR102336885B1 - 실험동물의 움직임에 따른 다중 감각정보 인지능력 훈련 또는 측정 장치 및 방법 - Google Patents

실험동물의 움직임에 따른 다중 감각정보 인지능력 훈련 또는 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전 트레드밀을 이용하여 실험동물의 움직임(Locomotion)에 따른 시각, 청각, 후각 또는 촉각의 감각 자극에 대한 뇌의 다중 감각정보 인지능력을 훈련시키고 변화된 뇌 인지능력을 정량적으로 측정할 수 있는, 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치, 방법 및 실험모델 동물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 상기 장치 및 이를 이용하는 방법은 계산적으로 조절된 다중 감각자극을 구별하는 능력을 측정하여 데이터로 정량화할 수 있어 실제 두뇌 기능을 분석하는데 매우 효과적이다.
또한 본 발명은 실험동물의 움직임(locomotion)에 따른 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치를 이용하여 약물이 뇌 인지기능에 미치는 효과를 측정할 수 있어 약물 개발 단계에서 비임상 실험으로 유용하게 활용할 수 있고, 뇌 인지기능 장애 또는 상실을 예방 또는 치료하기 위한 디지털 치료제의 효과를 검증하는 것에 이용될 수 있다.

Description

실험동물의 움직임에 따른 다중 감각정보 인지능력 훈련 또는 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHODS FOR TRAINING OR MEASURING PERCEPTUAL COGNITION IN THE INFLUENCE OF LOCOMOTION OF LABORATORY ANIMALS}
본 발명은 회전 트레드밀을 이용하여 실험동물의 움직임(Locomotion)에 따른 시각, 청각, 후각 및/또는 촉각 등의 다중 감각정보에 대한 뇌 인지능력을 훈련시키고 변화된 뇌 인지능력을 정량적으로 측정할 수 있는, 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치 및 이를 이용하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 뇌 인지기능 장애나 상실의 예방 또는 치료를 위해 개발되는 타겟 약물의 효과를 검증하기 위한 약물의 스크리닝 연구 또는 다양한 다중 감각자극을 활용한 디지털 치료제(digital therapeutics)의 효과를 검증하기 위한 비임상 시험을 위한 것이다.
뇌 인지능력의 향상 또는 뇌 인지기능 장애나 상실에 대한 예방 또는 치료를 위해서는 뇌 인지기능에 관여하는 중요한 신경 회로망을 생체 내에서 규명하고, 이에 효과를 나타낼 수 있는 약물 후보물질을 검증하는 것이 필요하다.
이를 위해서 타겟 약물 후보군의 생체 안전성 검증과 더불어 실험동물을 이용하여 다양한 외부 자극이 동시에 인가되는 상황에서 대상체의 미세한 인지능력 변화를 정량적으로 측정하는 것이 기본이 된다.
통상적으로, 청각, 시각, 촉각 및/또는 후각 등 외부의 다중 감각자극에 반응하는 뇌 인지능력 훈련 또는 측정 실험은 지능이 높은 사람 또는 원숭이 같은 고등동물에서 주로 이루어졌다.
하지만 뇌 인지기능의 장애나 상실에 대한 예방 또는 치료 약물 개발을 위해서는 약물 투여 후에 변화되는 유전자 발현 조절 양상의 확인이나, 실제 동물에서 기능이 상실된 뇌의 인지기능 회복이 일어났는지 해부학적으로 확인하는 단계가 요구되어서 고등동물을 대상으로 하는 실험에는 많은 제약과 어려움이 따른다.
이런 이유로 뇌 기능연구에는 소동물인 생쥐(mouse) 또는 흰쥐(rat)와 같은 실험동물을 이용하는 경우가 많은데, 약물투여나 다중 감각자극 훈련에 따른 실험동물의 뇌 인지능력의 변화로 인해 발생되는 행동 변화를 정량적으로 정밀하게 측정하는 방법 및 시스템의 개발은 여전히 요구되고 있다. 특히 실험동물의 선택적 움직임 제한에 따른 뇌 인지능력의 변화에 뇌의 운동세포가 미치는 영향을 함께 연구할 수 있는 행동실험 측정 장치, 방법 및 모델 실험동물이 필요하다.
그러나 실험동물이 움직이고 있는 상태와 움직임이 고정된 상태를 선택적으로 인가하여 외부의 다중 감각자극에 대한 다중 감각정보 인지능력의 변화에 실험동물의 움직임이 미치는 영향을 정량적으로 측정할 수 있는 측정 장치 및 방법은 제시된 바가 없다.
종래기술을 살펴보면, 소형동물의 행동을 측정하기 위해 영상분석 없이 트레드밀 상에서의 보행상태 및 이동궤적을 압력감지 방식으로 측정하는 소동물용 보행분석 장치가 개시된 바는 있다(공개특허공보 제10-2021-0034289호(2020. 03. 30. 공개). 그러나 이는 뇌 인지능력의 측정을 위한 장치가 아닌 소동물용 보행장치로써, 실험동물의 움직임에 따른 다중 감감정보 인지능력 변화를 측정하기에는 역부족이다.
또한 동물 행동을 관찰하기 위해서 생쥐를 일정 크기의 케이지에 가두고, 케이지 상단부에 설치된 카메라와 같은 영상 촬영장비를 이용하여 생쥐의 움직임을 기록한 후 분석하는 동물 행동실험 장치가 개시된 바 있다(대한민국 등록특허공보 제10-1929570호(2018. 12. 14. 공고). 이 영상기록을 기반으로 하는 동물 행동실험 장치는 시각과 청각을 동시에 또는 선택적으로 자극하는 다중 감각자극에 반응하는 실험동물의 미세한 뇌 인지능력 변화를 정량적으로 측정하기는 어렵다.
아직까지 실험동물의 신체가 결속되어 있거나 또는 자유롭게 움직일 수 있는 경우 등 특정 제약된 환경을 선택적으로 인가하여, 실험동물의 다중 감각정보에 대한 인지능력에 어떠한 차이를 발생하는지 확인하는 방법 및 장치가 알려진 바 없다.
나아가 뇌 인지기능 개선에 효과를 나타내는 약물을 개발하기 위해서는 다양한 운동상태에서 뇌 인지능력에 변화가 발생되는지 측정할 필요가 있다. 또한 최근에 활발히 개발되기 시작하는 뇌 인지기능 장애 또는 상실을 치료하기 위한 프로그램인 디지털 치료제의 효과를 검증하기 위해서도 특정 제약된 환경에서 실험동물의 다중 감각정보에 대한 인지능력이 미세하게 변화하는 정도를 측정할 수 있는 실험 장치가 필요한 실정이다.
이에, 뇌 인지기능 장애나 상실을 예방 또는 치료하기 위한 약물 후보군의 검증 또는 디지털 치료제의 효과를 검증하기 위해 비임상 실험단계에서 활용되는 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치로써, 실험동물의 움직임(locomotion) 차이에 의해서 외부의 다중 감각자극에 대한 실험동물의 감각정보 인지능력의 변화를 정량적으로 측정할 수 있는 장치 및 방법이 절실히 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2021-0034289호 대한민국 등록특허공보 제10-1929570호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 회전 트레드밀 장치를 이용하여 실험동물에 움직임을 인가하거나 또는 제거하는 조건을 선택적으로 부여함으로써, 시각, 청각, 후각 및 촉각 자극 중 선택된 하나 이상의 외부 다중 감각자극에 대한 뇌 인지능력의 변화를 자동으로 정량화하여 측정할 수 있는 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치 및 이를 이용하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 본 발명에 따른 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치를 이용하여 실험동물의 뇌 인지능력을 훈련 또는 측정하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 또한 뇌 인지기능 장애 또는 상실의 예방 또는 치료를 위한 약물 후보물질을 검증하는 상기 약물의 스크리닝 방법을 제공하고자 한다.
나아가 본 발명의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치 및 방법은 뇌 인지기능 장애나 손상을 예방 또는 치료하기 위한 디지털 치료제의 개발 및 효능 연구에 활용하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 다른 목적 및 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 목적에 제한되지 않으며, 본 명세서에 기재된 청구범위 및 도면과 함께 하기의 발명의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다. 또한 본 명세서에 기재되지 않은 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 ‘통상의 기술자’라 함)라면 명확하게 이해하고 유추할 수 있을 것이 자명하다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 실험동물의 움직임(locomotion)에 따른 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치 및 이를 이용하는 방법은 다음과 같다.
본 발명에 따른 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치는 실험동물의 다리가 움직이도록 하는 회전 트레드밀(15); 실험동물의 행동범위를 제한하고 보상과 벌을 제공하는 행동실험부(10); 시각, 청각, 후각 및 촉각 중 선택된 하나 이상의 자극을 동시에 인가할 수 있는 자극제공부(20); 실험동물의 행동을 검출하여 보상 또는 벌을 인가하도록 명령을 제어하는 행동감지부(70); 상기 행동감지부에 의해 검출된 신호를 측정하여 디지털로 변환하는 데이터 획득부(60); 및 상기 자극제공부를 통해 시각, 청각, 후각 또는 촉각의 자극신호가 전달하도록 명령하고, 기록된 측정 데이터를 컴퓨터의 기록매체에 기록하는 시스템 제어부(30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예로, 상기 실험동물은 헤드플레이트(11)가 머리에 이식되어 포스트(300)에 고정된 상태인 실험동물이고, 회전 트레드밀(15)이 작동하는 경우에는 머리는 고정되고 다리만 움직이는 상태인 실험동물일 수 있다.
일 실시예로, 상기 행동실험부(10)는 학습된 행동을 성공적으로 인지한 경우 일정시간 물이 나오는 물보상 포트(12); 및 학습된 행동을 인지하지 못해 실패한 경우 물 대신 벌로써 공기가 나오는 공기 퍼프(13);를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예로, 상기 행동감지부(70)는 실험동물의 핥는 행동을 측정할 수 있는 감지부(40); 실험동물의 행동에 따라 보상 또는 벌을 인가하도록 명령하는 고립부(50);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예로, 상기 자극제공부(20)는 시각 자극을 위한 모니터(21); 및 청각 자극을 위한 스피커(22);를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예로, 상기 데이터 획득부(60)는 실험동물의 핥는 행동이 발생되면 시기 및 횟수를 측정하여 디지털 데이터로 변환하는 DAQ(Data Acquisition system)를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예로, 상기 실험동물의 다중 감각정보 인지능력 측정 장치는 뇌 신경세포의 활동성을 실시간 영상으로 기록할 수 있는 단일광자 현미경 또는 이광자 이상의 다중광자 현미경을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 방법은 상기 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치를 이용하여 (a) 실험동물에게 행위 자극(go stimulus)과 비행위 자극(no-go stimulus)을 통해 물보상 학습을 시키는 단계; (b) 상기 실험동물에게 학습된 시각, 청각, 후각 및 촉각 중 선택된 어느 하나 이상의 다중 감각정보를 인가하여 행동을 명령하는 단계; (c) 회전 트레드밀(15)을 선택적으로 작동시켜 실험동물에 움직임(locomotion) 변화를 인가하는 단계; (d) 상기 실험동물의 행동을 행동감지부를 이용하여 검출하는 단계; 및 (e) 데이터 획득부를 이용하여 검출된 행동 데이터를 디지털로 변환하여 기록하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예로, 상기 실험동물은 뇌 인지기능 장애 또는 상실을 가진 실험동물인 것일 수 있다.
일 실시예로, 상기 뇌 인지기능 장애 또는 상실은 경도인지장애, 혈관성 인지장애, 뇌출혈에 의한 인지장애, 치매, 뇌 손상, 기억력 손상, 시각 및/또는 청각 식별 장애, 자폐, 주의력결핍 과잉행동장애(Attention deficit hyperactivity disorder, ADHD), 조현병 또는 파킨슨병을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 뇌 인지기능 장애 또는 상실에 대해 예방 또는 치료 효과를 나타내는 약물 후보물질을 스크리닝하는 방법으로서, 상기 실험동물의 다중 감각정보 인지능력 훈련 또는 측정 장치를 이용하여 뇌 인지기능 예방 또는 치료 효과를 나타내는 약물 후보물질이 투여된 실험동물에서 뇌 인지능력의 변화를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예로, 상기 실험동물은 경도인지장애, 혈관성 인지장애, 뇌출혈에 의한 인지장애, 치매, 뇌 손상, 기억력 손상, 시각 및/또는 청각 식별 장애, 자폐, 주의력결핍 과잉행동장애 (Attention deficit hyperactivity disorder, ADHD), 조현병 또는 파킨슨병인 인지기능 장애 또는 상실을 가지는 것일 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치를 이용하여 뇌 인지기능 장애 또는 상실을 예방 또는 치료하기 위한 프로그램인 디지털 치료제의 효과를 검증하는 단계를 포함하는, 뇌 인지기능 장애 또는 상실을 예방 또는 치료하는 디지털 치료제의 효과를 검증하는 방법일 수 있다.
일 실시예로, 상기 실험동물은 경도인지장애, 혈관성 인지장애, 뇌출혈에 의한 인지장애, 치매, 뇌 손상, 기억력 손상, 시각 및/또는 청각 식별 장애, 자폐, 주의력결핍 과잉행동장애(Attention deficit hyperactivity disorder, ADHD), 조현병 또는 파킨슨병인 인지기능 장애 또는 상실을 가지는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 회전 트레드밀을 이용하여 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치 및 이를 이용하는 방법은 계산적으로 조절된 다중 감각자극을 구별하는 능력을 측정하여 데이터로 정량화할 수 있어 실제 두뇌 기능을 분석하는데 매우 효과적이다.
또한 본 발명은 실험동물의 움직임(locomotion)에 따른 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치를 이용하여 약물이 뇌 인지능력에 미치는 효과를 측정할 수 있어 약물 개발 단계에서 비임상 실험으로 유용하게 활용할 수 있고, 뇌 인지기능 장애 또는 상실을 예방 또는 치료하기 위한 디지털 치료제의 효과를 검증하는 것에 이용될 수 있다.
본 발명은 실험동물의 움직임에 따른 뇌 인지능력의 변화를 측정할 수 있고, 외부에서 인가하는 다중 감각자극을 정밀하게 조절하기가 용이하여 다양한 후보 약물의 효과를 다각적으로 평가하고, 실제 두뇌 활동상태를 실시간으로 정량적 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 트레드밀 위에 위치하고 머리가 고정된 생쥐와 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 머리고정을 위한 헤드플레이트가 생쥐의 머리에 이식된 모습과 헤드플레이트가 포스트에 결합되어 생쥐가 광자현미경 밑에 고정되어 있는 모습의 예시이다.
도 4는 고정되어 있는 생쥐의 측면에 위치한 청각 자극을 인가하는 스피커와 시각 자극을 인가하는 모니터가 장착된 장치의 예시이다.
도 5는 회전 트레드밀이 정지 또는 움직이는 상태에서 생쥐의 움직임을 나타내는 예시이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생쥐의 시청각 자극에 대한 구별 훈련의 학습 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미리 학습된 자극과 매치하는 시청각 자극과 미스-매치하는 시청각 자극의 예시이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 생쥐 모델에서 미리 학습된 자극과 매치하는 시청각 자극과 미스-매치하는 시청각 자극이 주어졌을 때의 행동 실험 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 트레드밀을 이용하여 생쥐가 정지상태와 운동상태에서 미리 학습된 자극과 매치하는 시청각 자극과 미스-매치하는 시청각 자극이 주어졌을 때의 행동 실험 결과이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 생쥐의 인지능력 활성화시 나타나는 뇌세포(PPC excitatory neurons)의 칼슘 변화를 형광 표지자를 이용하여 실시간으로 측정한 모습을 나타낸다.
이하, 본 발명을 실시예 및 첨부한 도면을 통해 통상의 기술자가 쉽게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 명세서에 의해 개시되는 발명의 내용은 여기에서 설명되는 특정 실시예 및 첨부한 도면의 내용으로 한정되지 않고, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 기술자가 다양하게 구현할 수 있는 것을 포함하는 것은 자명하다.
따라서 본 명세서에서 개시된 발명의 내용은 여기에 기재된 특정 실시예로 제한되지 않으며, 이에 대한 변형 및 다른 구현예들도 청구범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 트레드밀(15) 위에 위치하고 머리가 고정된 생쥐의 모습이고, 도 2는 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치의 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 행동실험부(10)는 회전 트레드밀(15), 머리가 고정된 생쥐(A), 뇌활동의 변화를 실시간으로 영상기록하는 광자 현미경(200), 머리 고정을 위한 헤드플레이트(11), 포스트(300), 고정부재(100)를 포함한다.
또한 감각자극 인가를 위한 소리와 패턴을 나타내는 스피커(22) 및 모니터(21), 학습에 대한 보상 및 벌을 주기위한 수단인 물공급 포트(12) 및 공기 퍼프(13)를 포함한다.
실험에 사용되는 생쥐의 머리에는 헤드플레이트(11)가 수술로 머리뼈에 이식되어 고정된다.
포스트(300)에 머리가 결속된 생쥐는 자신의 위치를 자유로이 이동할 수 없으나, 회전 트레드밀(15)이 동작하면 발을 움직이는 운동을 하게 된다.
학습된 행동을 성공적으로 인지한 경우 일정시간 물이 나오는 물보상 포트(12), 학습된 행동을 인지하지 못해 실패한 경우 물 대신 벌로써 공기가 나오는 공기 퍼프(13)를 포함한다.
실험동물의 앞측에는 모니터(21), 좌측 또는 우측에는 스피커(22)를 위치하여 시각 또는 청각 자극을 인가하게 된다.
청각 자극의 크기는 데시벨(dB) 측정기를 이용하여 통일화하여 자극한다. 일 실시예로 청각 자극의 크기는 74.5dB 일 수 있다.
모니터(21)와 스피커(22)의 이격거리, 스크린의 각도, 시각 자극 패턴, 청각 자극의 크기 및 주파수 범위는 실험조건에 따라 조정이 가능하다.
또한 자극제공부(20)에는 후각 자극용 후각 자극기(미도시)와 촉각 자극용 진동 또는 열 발생기(미도시)가 추가될 수 있다.
시스템 제어부(30)는 자극제공부(20)의 구동을 제어하고, 감지부(40), 고립부(50)의 동작을 제어하며 데이터 획득부(60)를 통해 측정된 데이터를 디지털로 변환하여 기록매체에 자동으로 기록한다.
행동감지부(70)은 감지부(40)와 고립부(50)를 포함할 수 있다.
상기 감지부(40)는 생쥐의 핥는 행동을 측정하기 위한 장치로서, 생쥐가 물보상 포트(12)에 접촉하는 시점을 자동으로 계측하는 터치센서(41) 및 전자회로부(42)가 포함된다.
상기 고립부(50)는 시스템 제어부(30)의 명령에 따라 물 보상을 위한 물보상포트(12)와 공기 퍼프(13)의 구동을 제어하는 구동회로부(51)를 포함한다(미도시).
데이터 획득부(60)는 감지부(40)에서 측정된 생쥐의 핥는 행동이 발생되면 시기 및 횟수를 디지털 데이터로 변환하여 자동으로 기록매체에 기록한다. 데이터 획득부(60)는 'Measurement Computing'사의 다기능 'DAQ(Data Acquisition system)' 시스템과 'Neurobehavioral systems' 사의 컴퓨터 프로그램인 'Presentation'을 이용하여 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 머리고정을 위한 헤드플레이트가 생쥐의 머리에 이식된 모습과 헤드플레이트(11)가 포스트(300)에 결합되어 생쥐가 광자현미경(200)의 대물렌즈 아래에 고정되어 있는 모습을 나타낸다.
생쥐 머리에 이식되어 고정되는 헤드플레이트(11)는 뇌신경의 활동변화를 실시간으로 측정하기 위해 머리뼈 일부를 개방하는 공간을 형성한다. 헤드플레이트(11)의 양 측면에 형성된 결속부를 포함하고, 이를 통해 포스트(300)와 결속하게 된다.
헤드플레이트(11)의 개방된 공간을 통해 외부 다중 감각자극에 대한 뇌의 활동성을 형광 프로브를 이용하여 실시간으로 분자단위 영상기록을 할 수 있다.
영상기록은 광자현미경(200)을 이용한다. 광자 현미경은 단일광자(One-photon) 또는 이광자(Two-photon)이상의 다광자(Multi-photon) 현미경 중 하나를 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험 세팅을 나타낸 모습이다. 고정되어 있는 생쥐의 측면에는 청각 자극을 인가하는 스피커와 시각 자극을 인가하는 모니터가 장착된다.
머리가 고정된 생쥐는 회전 트레드밀(15) 위에 위치하고, 몰보상 포트(12) 및 공기 퍼프(13)는 고정된 생쥐의 머리 앞단에 위치한다.
도 5는 회전 트레드밀(15)이 정지 또는 움직이는 상태에서 생쥐의 움직임을 나타내는 예시이다. 회전 트레드밀(15)이 정지된 상태에서 외부 감각 자극을 인가하며 학습행동을 관찰하거나, 회전 트레드밀(15)을 동작시켜 동일한 조건의 자극에 따른 학습행동의 변화를 비교하여 측정할 수 있다.
회전 트레드밀(15)의 회전속도는 1cm/sec 내지 10cm/sec 속도에서 조정할 수 있다. 생쥐의 운동능력을 고려하면 회전 트레드밀(15)의 회전속도는 3cm/sec이 바람직하나 실험조건에 따라 속도범위 내에서 변경이 가능하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다.
실시예 1. 생쥐의 시청각 자극 구별 학습
생쥐의 시청각 자극 구별 학습은 다음과 같이 이루어진다.
(1) 실험동물은 생후 30 ~ 60일 사이의 생쥐가 선별된다. 선별된 생쥐는 이틀의 물 제한 이후 시청각 자극 구별 훈련을 시작한다. 이후 물은 행동 측정장치에 포함된 물보상 포트(12)를 통해서만 제공받는다.
(2) 물 보상 습관화는 생쥐가 보상포트에서 물이 나온다는 것을 학습하도록 하는 태스크로써, 생쥐가 입으로부터 앞쪽으로 1cm 떨어져 있는 물보상 포트(12)를 핥을 때마다 4 μl씩의 물이 보상으로써 주어진다.
선택적으로, 실험자가 수동적으로 물보상 포트(12)로부터 물이 나오게 할 수 있도록 구성될 수 있다.
생쥐가 자의적으로 물보상 포트(12)를 핥은 경우와 실험자에 의해 수동적으로 물보상 포트(12)에서 물이 나온 경우의 횟수는 컴퓨터 프로그램‘Presentation’에 의해서 모두 분리되어 기록된다.
(3) 자극 조건화는 생쥐가 행위 자극(go stimulus)이 나오면 물을 먹을 수 있다는 것을 학습하도록 하는 태스크이다.
행위 자극이 나온 후 2초 이내에 제1 보상포트(12)를 핥았을 경우에 물이 나오도록 구성되어있다.
추가적으로, 2초 이내에 물보상 포트(12)를 핥지 않은 경우에도 자동으로 물이 물보상 포트(12)에서 나오게 되어 있어, 생쥐가 행위 자극과 물을 연관화 시킬 수 있도록 한다.
생쥐가 2초 내에 자의적으로 물보상 포트(12)를 핥은 경우와 그렇지 못한 경우의 횟수를 각각 기록하여, 행위 자극과 물의 연관화가 어느 정도 이뤄졌는지 분석한다.
외부 감각 자극은 생쥐의 왼쪽에 위치한 모니터(21)를 이용한 시각 자극과 스피커(22)를 통해 주어지는 청각 자극이 주어진다.
(4) 자극 구별 훈련은 생쥐가 행위 자극(go stimulus)과 비행위 자극(no-go stimulus)을 구별하도록 학습시키는 태스크이다. 행위 자극이 나왔을 때는 물보상 포트(12)를 핥고, 비행위 자극이 나왔을 경우에는 핥지 않도록 학습시킨다.
이를 위해서 행위 자극이 나온 후 2초 내에 물보상 포트(12)를 핥은 경우에만 물이 나오고, 그렇지 못할 경우에는 물이 나오지 않는다. 그리고 비행위 자극이 나온 후 2초 내에 물보상 포트(12)를 핥은 경우에는 체벌로써 공기 퍼프(air puff)가 생쥐의 안면에 공기를 가하게 된다.
이 때 행위 자극 또는 비행위 자극으로 사용되는 시각 또는 청각 자극들은 무작위로 제공되며 같은 빈도로 1초씩 주어진다.
자극 구별 훈련을 하는 동안, 행위 자극에 대해서 물보상 포트(12)를 핥은 횟수와 비행위 자극에 대해서 물보상 포트(12)를 핥은 횟수는 컴퓨터 프로그램‘Presentation’에 의해서 기록되며, 이를 바탕으로 성공률을 행동학적 지표로써 구하여 학습 곡선를 그린다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 머리가 고정된 생쥐의 시청각 자극 구별 훈련의 학습 결과를 나타낸다.
성공률은 표 1와 같이 산출할 수 있다.
행위 자극 비행위 자극
핥은 경우(lick) 옳게 핥음(hit) = a 잘못 핥음(false alarm) = c
핥지 않은 경우(no lick) 놓침(miss) = b 옳게 놓침(correct reject) = d
성공률(success rate) =(a + d) /(a + b + c + d)
시각 자극 구별 태스크에서는 서로 다른 각도의 두 시각 자극이 스크린 상에 1초 동안 나타난 후, 이에 대한 생쥐의 반응을 물보상 포트(12)를 핥는 유무로 확인하였다.
이 때 90도의 검정색 바가 오른쪽으로 움직이는 자극이 행위 자극으로, 180도의 검정색 바가 위로 움직이는 자극이 비행위 자극으로 사용되었다.
청각 자극 구별 태스크에서는 서로 다른 주파수의 두 청각 자극을 1초 동안 들려준 후, 이에 대한 생쥐의 반응을 물보상 포트(12)를 핥는 유무로 확인하였다. 이 때 5 kHz의 연속적인 소리가 행위 자극으로, 10 kHz의 연속적인 소리가 비행위 자극으로 사용된다. 데시벨 측정기를 이용하여 모든 소리의 데시벨은 74.5 dB로 통일화하였다.
청각 자극은 퓨어톤 사운드를 전달하기 위해 사인파(sine wave)의 신호를 사용할 수 있다. 시각 자극을 위한 자극 패턴, 자극 시간과 청각 자극을 위한 신호의 주파수 범위 및 크기는 조정할 수 있다.
(5) 또한, 시각 자극과 청각 자극 구별이 모두 가능하도록 훈련된 생쥐에게 둘 다 행위 자극에 해당하는 시각 자극과 청각 자극을 동시에 주는 매치하는 시청각 자극(congruent audiovisual stimulus)이나, 행위 자극에 해당하는 시각(또는 청각) 자극과 비행위 자극에 해당하는 청각(또는 시각) 자극을 동시에 주는 미스-매치하는 시청각 자극(incongruent audiovisual stimulus)을 전체 중 25%의 확률로 무작위하게 주어지도록 하였다.
도 7은 청각 자극과 시각 자극의 조건을 나타낸다. 'GO'명령 학습은 10 KHz의 소리신호와 세로무늬 패턴을 인가하고, 'NO-GO' 명령 학습은 5 KHz의 소리신호와 가로무늬 패턴을 인가하여 학습을 시킨다.
시각 자극과 청각 자극을 동시에 주는 매치하는 시청각 자극(congruent audiovisual stimulus) 테스트는 학습된 소리 자극과 패턴 무늬인 'GO' 명령은 10KHz의 소리신호와 세로무늬 패턴을 인가하고, 'NO-GO' 명령은 5 KHz의 소리신호와 가로무늬 패턴을 인가한다.
미스-매치하는 시청각 자극(incongruent audiovisual stimulus) 테스트는 'GO' 명령은 10 KHz의 소리신호와 가로무늬 패턴을 인가하고, 'NO-GO' 명령은 5 KHz의 소리신호와 세로무늬 패턴을 인가한다.
그 결과, 도 8에서 보는 바와 같이, 매치하는 시청각 자극에 대해서는 단일 자극에 대한 성공률에 비해 향상된 성공률을 보이는 것을 관찰할 수 있었다. 그리고 미스-매치하는 시청각 자극에 대해서는 상대적으로 청각 자극에 해당하는 방향으로 행동학적 선택을 보이는 청각 자극 우세 현상을 확인할 수 있었다.
본 실시예의 학습 태스크에서는 행위 자극과 비행위 자극으로 각각 서로 다른 각도의 시각 자극이나 서로 다른 주파수의 청각 자극을 사용하였다. 그 외의 다양한 형태의 시각, 청각, 후각 또는 촉각에서 선택된 2가지 이상의 자극을 사용해도 자극 구별 태스크가 가능하다는 것은 매우 자명한 사실이다.
실시예 2. 회전 트레드밀을 이용한 다중 감각 인지능력 변화 측정
(1) 실험동물은 실시예 1에서 기술한 생쥐와 같은 조건에서 선별되어 이틀의 물 제한을 거친다. 이후 물은 훈련 결과에 따라 머리가 고정된 포스트(300) 앞쪽에 위치하는 물보상 포트(12)를 통해서만 제공받는다.
(2) 물 보상 습관화는 생쥐가 물보상 포트(12)에서 물이 나온다는 것을 학습하도록 하는 태스크이다.
(3) 시청각 자극 구별 훈련은 시각 자극과 청각 자극이 같은 빈도로 제공된다. 자극은 1초씩 주어지며 무작위로 제공되도록 프로그래밍 되어 있다.
(4) 일정시간 동안 회전 트레드밀(15)은 고정한 상태에서 시각 자극과 청각 자극에 따른 학습 행동의 변화를 측정한다. 학습한 대로 자극에 따라 행동을 한 경우에는 물보상 포트(12)에서 물이 공급되나, 실패한 경우에는 공기 퍼프(13)에서 공기가 분사되고 물 보상이 주어지지 않는다.
(5) 일정시간 동안 트레드밀 구동부에 명령을 가해 회전 트래드밀(15)을 동작시킨다. 회전 트레드밀(15)의 회전속도는 3cm/sec가 바람직하나 이는 실험 조건에 따라 일정 범위 내에서 조정할 수 있다. 회전 트레드밀(15)이 동작하면 생쥐는 회전에 따라 발을 강제로 움직이게 된다. 회전 트레드밀(15)이 동작하여 생쥐가 움직이고 있는 상황에도 머리는 포스트(300)에 고정되어 있다.
(6) 시각 자극과 청각 자극 구별이 모두 가능하도록 훈련된 생쥐에게 둘 다 행위 자극에 해당하는 시각 자극과 청각 자극을 동시에 주는 매치하는 시청각 자극(congruent audiovisual stimulus)이나, 행위 자극에 해당하는 시각(또는 청각) 자극과 비행위 자극에 해당하는 청각(또는 시각) 자극을 동시에 주는 미스-매치하는 시청각 자극(incongruent audiovisual stimulus)을 전체 중 25%의 확률로 무작위하게 주어지도록 하여 생쥐의 행동을 측정한다.
(7) 성공률의 경우 표 2와 같이 산출한다. 실험이 끝나면 훈련 동안 제공된 자극과 그에 따른 생쥐의 위치가 기록된 로그파일을 분석하여 성공률을 계산한다.
시각 자극 횟수 청각 자극 횟수 시각 자극 맞춘 횟수 청각 자극 맞춘 횟수
a b c d
전체 자극에 대한 성공률 =(c + d)/(a + b)
시각 자극에 대한 성공률 = c / a
청각 자극에 대한 성공률 = d / b
(8) 시각 자극과 청각 자극은 같은 빈도로 제공된다. 청각 자극의 경우, 서로 다른 주파수의 두 청각 자극을 1초 동안 들려준 후, 이에 대한 생쥐의 반응을 확인하였다. 이 때 5kHz의 연속적인 소리가 왼쪽 자극으로, 10kHz의 연속적인 소리가 오른쪽 자극으로 사용되었다. 데시벨 측정기를 이용하여 모든 소리의 데시벨은 74.5 dB로 통일화하였다.
청각 자극은 퓨어톤 사운드를 전달하기 위해 사인파의 신호를 사용할 수 있다. 시각 자극을 위한 자극 패턴, 자극 시간과 청각 자극을 위한 신호의 주파수 범위 및 크기는 조정할 수 있다. 그 외의 다양한 형태의 시각, 청각, 후각 또는 촉각에서 선택된 2가지 이상의 자극을 사용해도 자극 구별 태스크가 가능하다는 것은 매우 자명한 사실이다.
(9) 이후 훈련이 완료된 생쥐에게 같은 방향을 지시하는 시각 자극과 청각 자극을 동시에 주는 매치하는 시청각 자극 또는 다른 방향을 지시하는 시각 자극과 청각 자극을 동시에 주는 미스-매치하는 시청각 자극을 무작위로 주면서 그 때의 생쥐의 행동학적 선택을 기록하였다.
그 결과, 도 9에서 보는 바와 같이, 회전 트레드밀을 이용하여 생쥐가 정지상태와 운동상태에서 미리 학습된 자극과 매치하는 시청각 자극에 대해서는 단일 자극에 대한 성공률에 비해 향상된 성공률을 보이는 것을 관찰할 수 있었다. 그리고 미스-매치하는 시청각 자극에 대해서는 상대적으로 시각 자극에 해당하는 방향으로 행동학적 선택을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 실시예 2에 따르면 회전 트레드밀이 동작하여 생쥐가 운동하고 있는 상태에서는 머리가 고정되어 움직이지 않는 상태와는 다른 행동을 나타낸다. 회전 트레드밀이 정지하여 생쥐가 움직이지 못하는 상태에서는 매치하는 시청각 자극과 미스-매치하는 시청각 자극이 주어졌을 때 청각 자극이 행동을 지배하는 청각 우세(Auditory Dominance) 현상이 나타나게 된다.
그러나 회전 트레드밀(15)이 회전하여 생쥐의 다리가 움직이도록 하여 뇌의 운동신경계를 활성화한 상태에서는 외부 자극에 대한 청각 우세(Auditory Dominance) 현상이 현저히 낮아지는 것을 알 수 있다.
(10) 행동실험과 동시에 단일광자 또는 이광자 현미경을 이용하여 뇌의 신경세포의 활동성을 영상으로 기록한다. 뇌의 인지능력의 변화 시 발생되는 뇌세포의 활동변화를 형광표지자를 이용하여 분자단위로 측정할 수 있다.
도 10은 생쥐의 인지능력 활성화시 나타나는 뇌세포(PPC excitatory neurons)의 칼슘의 변화를 형광표지자를 이용하여 실시간으로 측정하는 모습을 나타낸다. 생쥐가 주어지는 명령 조건에 따라 인지능력이 활성화되는 경우 CaMKIIa+ 신경이 녹색의 형광을 발현하고 있는 것을 나타내고 있다.
이를 통해, 외부 자극에 따른 뇌 인지 능력 변화를 행동실험 관측과 더불어 영상으로 실시간으로 확인할 수 있고, 약물이나 조건의 변화에 따른 뇌 인지능력의 변화를 보다 정밀하게 측정할 수 있게 되었다.
본 발명의 구체적인 실시예를 참조하여 상술하였지만, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 이는 단지 바람직한 실시예일 뿐이며 본 발명의 실질적인 범위는 이에 제한되지 않고 다양하게 수정 및 변경되어 사용될 수 있음은 명백한 사실일 것이다.
10: 행동실험부 11: 헤드플레이트
12: 물보상 포트 13: 공기 퍼프
14: 트레드밀 구동부 15: 회전 트레드밀
16: 회전축 20: 자극제공부
21: 모니터 22: 스피커
30: 시스템 제어부 40: 감지부
50: 고립부 60: 데이터 획득부
70: 행동감지부 100: 고정부재
200: 광자 현미경 300: 포스트

Claims (13)

  1. 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치에 있어서,
    실험동물의 다리가 움직이도록 하는 회전 트레드밀(15);
    실험동물의 행동범위를 제한하고 보상과 벌을 제공하는 행동실험부(10);
    시각, 청각, 후각 및 촉각 중 선택된 하나 이상의 자극을 동시에 인가할 수 있는 자극제공부(20);
    동물의 행동을 검출하여 보상 또는 벌을 인가하도록 명령을 제어하는 행동감지부(70);
    상기 행동감지부에 의해 검출된 신호를 측정하여 디지털로 변환하는 데이터 획득부(60); 및
    상기 자극제공부를 통해 시각, 청각, 후각 또는 촉각의 자극신호를 전달하도록 명령하고, 기록된 측정 데이터를 컴퓨터의 기록매체에 기록하는 시스템 제어부(30); 를 포함하며,
    상기 행동실험부(10)는 학습된 행동을 성공적으로 인지한 경우 일정시간 물이 나오는 물보상 포트(12); 및 학습된 행동을 인지하지 못해 실패한 경우 물 대신 벌로써 공기가 나오는 공기 퍼프(13);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실험동물은 헤드플레이트(11)가 머리에 이식되어 포스트(300)에 고정된 상태이고, 회전 트레드밀(15)이 작동하는 경우에는 머리는 고정되고 다리만 움직이는 상태인 것을 특징으로 하는, 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 행동감지부(70)는 실험동물의 핥는 행동을 측정할 수 있는 감지부(40); 및 실험동물의 행동에 따라 보상 또는 벌을 인가하도록 명령하는 고립부(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자극제공부(20)는 시각 자극을 위한 모니터(21); 및 청각 자극을 위한 스피커(22);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 획득부(60)는 실험동물의 핥는 행동이 발생되면 시기 및 횟수를 측정하여 디지털 데이터로 변환하는 DAQ(Data Acquisition system)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    뇌 신경세포의 활동성을 실시간 영상으로 기록할 수 있는 단일광자 현미경 또는 이광자 이상의 다중광자 현미경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치.
  8. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치를 이용하는 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 방법으로서,
    (a) 실험동물에게 행위 자극(go stimulus)과 비행위 자극(no-go stimulus)을 통해 물보상 학습을 시키는 단계;
    (b) 상기 실험동물에게 학습된 시각, 청각, 후각 및 촉각 중 선택된 어느 하나 이상의 다중 감각정보를 인가하여 행동을 명령하는 단계;
    (c) 회전 트레드밀(15)을 선택적으로 작동시켜 실험동물에 움직임(locomotion) 변화를 인가하는 단계;
    (d) 상기 실험동물의 행동을 행동감지부를 이용하여 검출하는 단계; 및
    (e) 데이터 획득부를 이용하여 검출된 행동 데이터를 디지털로 변환하여 기록하는 단계; 를 포함하는, 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 실험동물은 뇌 인지기능 장애 또는 상실을 가진 실험동물인 것을 특징으로 하는, 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 뇌 인지기능 장애 또는 상실은 경도인지장애, 혈관성 인지장애, 뇌출혈에 의한 인지장애, 치매, 뇌 손상, 기억력 손상, 시각 및/또는 청각 식별 장애, 자폐, 주의력결핍 과잉행동장애(Attention deficit hyperactivity disorder, ADHD), 조현병 또는 파킨슨병을 포함하는 것을 특징으로 하는, 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 방법.
  11. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치를 이용하여 뇌 인지기능 예방 또는 치료 효과를 나타내는 약물 후보물질이 투여된 실험동물에서 뇌 인지능력의 변화를 측정하는 단계를 포함하는, 뇌 인지기능 장애 또는 상실에 대해 예방 또는 치료 효과를 나타내는 약물 후보물질을 스크리닝하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 실험동물은 경도인지장애, 혈관성 인지장애, 뇌출혈에 의한 인지장애, 치매, 뇌 손상, 기억력 손상, 시각 및/또는 청각 식별 장애, 자폐, 주의력결핍 과잉행동장애(Attention deficit hyperactivity disorder, ADHD), 조현병 또는 파킨슨병인 인지기능 장애 또는 상실 가지는 것을 특징으로 하는, 뇌 인지기능 장애 또는 상실에 대해 예방 또는 치료 효과를 나타내는 약물 후보물질을 스크리닝하는 방법.
  13. 제1항, 제2항 또는 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 실험동물의 다중 감각정보 인지능력을 훈련 또는 측정하는 장치를 이용하여 뇌 인지기능 장애 또는 상실을 예방 또는 치료하기 위한 디지털 치료제의 효과를 검증하는 단계를 포함하는, 뇌 인지기능 장애 또는 상실을 예방 또는 치료하는 디지털 치료제의 효과 검증 방법.
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Title
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