성균관대학교 NeuRlab

NeuRLab에서는 쥐 뇌의 도파민 활동을 보기 위해 강화학습(reinforcement learning) 을 사용하고 있다. 이를 위해 3개의 모니터 가지고 VR 사용을 통해 쥐에게 시각적 단서를 보여준다. 쥐가 잘 훈련되면, 보상 단서에 가까워질 때 도파민 수준이 증가하는 것을 볼 수 있다. 나의 연구를 위해, 쥐에게 물과 설탕물이라는 두 가지 다른 보상을 줄 수 있는 2 포트 VR 설정을 최적화했다. 도파민의 활성을 보기 위해 광섬유측정법을 (photometry) 사용한다. 우리는 도파민 센서 바이러스를 사용하고 도파민을 확인하기 위해 광섬유를 넣었다. 나는 쥐 뇌에 섬유를 4개의 다른 영역에 이식했다. Ventral Striatum(VS) core, shell, Dorsomedial Striatum(DMS) and Dorsolateral Striatum (DLS). 이 영역을 선택한 이유 하나는, VS는 일반적으로 도파민 기록을 위한 주요 뇌 영역 중 하나로 사용되고 있기 때문이며 다른하나는, Ventral Striatum core 은 정신 질환과 중독에 대해 널리 연구되고 있기 때문이다. Ventral striatum core and shell 비교하여 헤도닉 가치의 차이가 있는지 확인하고 싶다. 수술은 직접 수행했다. 먼저 수술에 사용할 Da2m 바이러스를 aliquoting 했다. 바이러스를 주사한 후, 도파민 활동을 photometry로 볼 수 있도록 섬유를 삽입했다. 수술 기술을 최적화했고, 각 동물로부터 높은 도파민 신호를 얻고 있다. 쥐들은 트레드밀에 머리가 고정되어 있고 큐에 따라 물 보상으로 받는다 . 나는 쥐들에게 두 개의 물 포트가 있고, 그들이 랜덤으로 물을 얻을 수 있다는 것을 알도록 훈련시켰다. 동물이 달콤한 용액을 좋아하는지 또는 먹는지 확인하기 위해, 수일 동안 naive 쥐에게 물 대 달콤한 용액을 각기 다른 농도로 하여 선호도 실험을 실시했다. 매일 각 액체의 소비량을 측정했고, 매일 병을 교체하여 조건된 장소 선호도가 (conditioned place preference) 형성되는 가능성을 줄였다. 결과로부터 선호되는 보상을 사용하여, 물과 설탕물 용액 먹는후 도파민 신호의 차이를 2-포트 사용하면서 확인하였다. 첫 번째 배치의 동물에게는 두 가지 다른 시각적 단서를 제공하고, 다른 단서의 끝에서 쥐가 포트로부터 다른 보상을 받도록 하고 싶었다. VR 프로토콜은 김형구 교수님이 작성했다다. 강화 학습을 위해서는 동물이 물박탈 상태여야 한다. 그러나 인간의 경우, 당이 든 음료를 원할 때라도 목마른 경우에는 물이 필요하다. 따라서 실험 중에 동물의 내부 평형 상태가 (homeostasis) 변경되었다. 실험에는 물박탈 상태, 약간의 포만감을 가진 물 부족 상태와 음식 + 물 부족 상태의 동물이 사용되었다. 이러한 실험의 첫 부분은 마우스의 Vs Core만 진행되었다. VR task의 경우 동물이 머리에 고정되어 (head fix) 있기 때문에 자유롭게 움직일 때 어떤 일이 일어날지 보고 싶었다. 쥐가 자유롭게 이동하는 동안 도파민 신호를 측정했다. 물과 설탕 vs 물 용액이 환경에 무작위로 (randomly) 제공되어 빨아 먹는 사건으로부터 DA (dopamine) 뉴런의 활성화를 측정했다.세션은 비디오로 녹화되었다. 쥐를 선호하는 것을 보았지만 VS 코어 도파민 신호는 큰 의미에서 변하지 않았다. 동물마다 다른 결과를 보고 나서, 시각적 단서가 없는 (visual cue) 다른 태스크가 필요할 것이라고 생각했다. 홈오스타시스의 다른 단계에 대한 보상에 대한 민감도만 영향이 있는지 보고 싶었다. 나는 랜덤으로 두 개의 다른 포트에서 두 가지 크기의 보상으로 태스크를 변경했다. 나의 목표는 뇌 영역이 헤도닉 가치에 아니라 보상의 양에만 담당하고 있는지 아닌지 확인하는 것이다. 4개의 다른 뇌 영역에 대한 수술을 했다. 두 개의 포트를 보정하여 동일한 양의 물 보상을 제공했다. 양이 동일하면 도파민 수준이 포트 전체에서 동일할 것이다.
또한, DAQ 보드에서 신호를 플로팅하여 각 포트에 대한 보상이 주어지기 전후의 쥐의 핥기 behaviour 을 관찰할 수 있다. 지금은 설탕물이 일반 물에 비해 도파민 수준을 변경하는지를 확인하기 위한 실험을 진행하고 있다. 또한, 선호도와 다양한 크기와 쾌락 가치에 대한 도파민 수준을 모두 볼 수 있도록 자유로운 이동 태스크를 실시했다. 또한 재활용 섬유를 만들고 있어서 우리의 섬유를 다시 사용하여 도파민 신호를 확인할 수 있다. 섬유를 재활용할 때 Targazyme으로 세척, 초음파 세척을하고 있다.