행동 신경 과학은 생물학적 심리학 으로도 알려져 있으며 [ 1 ] , 생물 심리학 또는 정신 생물학 으로도 알려져 있으며 [ 2 ] , 신경 과학 의 광범위하고 학제적인 분야에 속하며 , 주로 우리 심리학과 마찬가지로 인간의 경험 과 행동의 기초가 되는 생물학적 및 신경적 기질에 초점을 맞춥니다 . 생리 심리학 으로 알려진 초기 분야에서 파생된 [ 3 ] 행동 신경 과학은 생물학 의 원리를 적용하여 인간과 다른 동물의 행동에 대한 생리적 , 유전적 및 발달적 메커니즘을 연구합니다 . [ 4 ] 행동 신경 과학자는 신경 해부학 적 기질, 환경 및 유전 적 요인, 병변 및 전기 자극 의 영향, 발달 과정, 전기 활동 기록, 신경 전달 물질 , 호르몬 영향, 화학 성분 및 약물 의 영향을 포함하는 연구 를 통해 행동의 생물학적 기초를 조사합니다 .행동에 대한 신경 과학적 연구를 고려할 때 중요한 주제에는 학습 및 기억 , 감각 과정, 동기 및 감정 , 행동의 생물학적 기초와 관련된 유전적 및 분자적 기질이 포함됩니다. 행동신경과학의 하위 분야로는 인지신경과학이 있으며 , 인지신경과학은 인간 인지의 기저에 있는 생물학적 과정을 강조합니다. 행동신경과학 및 인지신경과학은 모두 심리학의 신경학적 및 생물학적 기반을 다루며, 분야에 따라 인지 또는 행동 중 어느 하나에 특히 중점을 둡니다 . [ 3 ]
심리학과 행동신경과학이 정통 과학으로 부상한 것은 해부학 , 특히 신경해부학 에서 생리학이 등장한 데서 그 기원을 찾을 수 있습니다 . 생리학자들은 살아있는 유기체를 대상으로 실험을 수행했는데, 이는 18세기와 19세기의 지배적인 해부학자들에게는 불신의 대상이었습니다. 클로드 베르나르 , 찰스 벨 , 윌리엄 하비 의 영향력 있는 연구는 살아있는 피험자로부터 신뢰할 수 있는 데이터를 얻을 수 있다는 것을 과학계에 확신시키는 데 기여했습니다. [ 7 ]
18세기와 19세기 이전에도 행동 신경 과학은 기원전 1700년경부터 형성되기 시작했습니다. [ 8 ] 끊임없이 제기되는 질문은 정신과 신체의 연결은 무엇일까요?이 논쟁은 공식적으로 정신-신체 문제 라고 합니다 .정신-신체 문제를 해결하려는 두 가지 주요 학파가 있습니다. 일원론 과 이원론입니다 . [ 5 ] 플라톤 과 아리스토텔레스는 이 논쟁에 참여한 여러 철학자 중 두 명입니다.플라톤은 뇌가 모든 정신적 사고와 과정이 일어나는 곳이라고 믿었습니다. [ 8 ] 이와 대조적으로 아리스토텔레스는 뇌가 심장에서 파생된 감정을 식히는 목적을 가지고 있다고 믿었습니다. [ 5 ] 정신-신체 문제는 정신과 신체의 연결을 이해하기 위한 디딤돌이었습니다.
"정신생물학"이라는 용어는 다양한 맥락에서 사용되어 왔으며, 생물학의 중요성을 강조합니다. 생물학은 행동의 유기적, 신경적, 세포적 변화, 신경과학의 가소성, 그리고 생물학적 질병의 모든 측면을 연구하는 학문입니다. 또한 생물학은 행동과 관련된 모든 주제를 과학적 관점에서 집중 분석합니다. 이러한 맥락에서 심리학은 신경생물학을 보완하면서도 중요한 학문으로 활용됩니다. 이러한 문제에서 심리학의 역할은 주요 또는 가장 강력한 생물학을 뒷받침하는 사회적 도구 역할을 합니다. "정신생물학"이라는 용어는 나이트 던랩(Knight Dunlap) 이 그의 저서 『정신생물학 개요(An Outline of Psychobiology)』(1914) 에서 현대적인 의미로 처음 사용했습니다 . [ 9 ] 던랩은 또한 저널 『 정신생물학(Psychobiology)』의 창립자이자 편집장이었습니다 . 저널 발표에서 던랩은 이 저널이 "...정신 기능과 생리 기능의 상호 연결에 관한" 연구를 출판할 것이라고 밝혔는데, 이는 현대적인 의미에서도 행동신경과학 분야를 설명합니다. [ 9 ]
신경과학은 비교적 새로운 학문으로 여겨지며, 첫 번째 신경과학 학회 학술대회는 1971년에 열렸습니다. 이 학술대회는 신경계를 연구하는 다양한 분야 (예: 신경해부학 , 신경화학 , 생리심리학 , 신경내분비학 , 임상 신경학 , 신경생리학 , 신경약리학 등)를 통합하여 하나의 학제간 분야를 만들기 위해 개최되었습니다. 1983년, 미국심리학회에서 발행하는 비교생리심리학 저널이 행동신경과학(Behavioral Neuroscience) 과 비교심리학 저널(Journal of Comparative Psychology) 로 분리되었습니다 . 당시 저널의 저자는 이러한 분리에 대한 이유를 설명했는데, 그 중 하나는 행동신경과학이 생리심리학의 더 광범위한 현대적 진전이라는 것입니다. 나아가 모든 동물에서 신경계는 행동 기관입니다. 따라서 행동에 영향을 미치는 모든 생물학적 및 행동적 변인은 신경계를 거쳐야 합니다. 오늘날의 행동신경과학 연구는 신경계를 통해 작용하고 행동과 관련된 모든 생물학적 변인을 연구합니다. [ 10 ]
행동 신경과학 실험의 두드러진 특징은 실험의 독립 변수가 생물학적 변수이거나, 종속 변수 중 하나가 생물학적 변수라는 것입니다. 다시 말해, 연구 대상 유기체의 신경계가 영구적 또는 일시적으로 변화하거나, 신경계의 특정 측면이 측정됩니다(일반적으로 행동 변수와 관련됨).
신경 기능 장애 또는 감소
병변 – 특정 행동 측정에서 수행 능력 저하 또는 향상과 같은 결과적 변화를 관찰하기 위해 관심 뇌 영역을 자연적 또는 의도적으로 파괴하는 고전적인 방법입니다. 뇌 영역 지도를 제공하는 다양한 뇌 '아틀라스' 덕분에 병변은 비교적 높은 정확도로 위치시킬 수 있습니다. 3차원 입체 좌표 로 표현됩니다 .
그림에서 강조된 부분은 뇌의
병변을 보여줍니다. 이러한 유형의 병변은 수술로 제거할 수 있습니다.
일시적 병변 – 신경 조직은 테트로도톡신 과 같은 마취제 나 냉각을 통해 일시적으로 비활성화됩니다 .
경두 자기 자극 – 일반적으로 인간 피험자를 대상으로 사용되는 새로운 기술로, 두피에 자기 코일을 적용하여 근처 피질 뉴런에 비체계적인 전기 활동을 일으키며, 이를 실험적으로 기능적 병변으로 분석할 수 있습니다.
합성 리간드 주입 - 합성 리간드에 의해서만 활성화되는 수용체(RASSL) 또는 디자이너 약물에 의해서만 활성화되는 디자이너 수용체(DREADD)는 생체 내 G 단백질 신호 전달 의 공간적 및 시간적 제어를 가능하게 합니다 . 이러한 시스템은 클로자핀 N-옥사이드 (CNO) 와 같은 합성 소분자 리간드 에만 반응하고 천연 리간드에는 반응하지 않도록 설계된 G 단백질 결합 수용체( GPCR )를 활용합니다. RASSL은 GPCR 기반 화학유전학 도구입니다. 이러한 합성 리간드는 활성화 시 G 단백질 활성화를 통해 신경 기능을 감소시킬 수 있습니다. 이는 칼륨과 함께 작용하여 신경 활동을 약화시킬 수 있습니다. [ 12 ]
광 유전학적 억제 – 빛에 의해 활성화되는 억제 단백질이 관심 세포에서 발현됩니다. 척추동물의 경우 광섬유 또는 이식된 LED를 통해 전달되는 적절한 주파수의 빛에 의해 자극을 받으면 강력한 밀리초 단위의 신경 억제가 시작됩니다 . [ 13 ] 작고 충분히 투명한 무척추동물의 경우 외부 조명을 통해 전달됩니다. [ 14 ] 박테리아 할로로돕신 또는 양성자 펌프는 억제 광유전학에 사용되는 두 가지 단백질로, 세포질의 할로겐화물( Cl− ) 또는 각각 양성자의 세포질 농도를 감소시킵니다. [ 15 ] [ 16 ]
신경 기능 강화
전기 자극 – 신경 활동을 증가시키는 전형적인 방법으로, 세포 사멸을 심각하게 일으키기에는 너무 작은 약한 전류를 가합니다.
정신약리학 적 조작 – 화학적 수용체 길항제는 신경전달을 방해하여 신경 활동을 유도합니다 . 길항제는 전신 투여(예: 정맥 주사) 또는 수술 중 뇌실이나 특정 뇌 구조에 국소 투여(뇌내 투여)될 수 있습니다. 예를 들어, NMDA 길항제인 AP5는 흥분성 시냅스 전달의 장기 강화 (설치류 공포 조건화) 시작을 억제하는 것으로 나타났으며 , 이는 학습과 기억에 필수적인 기전으로 여겨집니다. [ 17 ]
합성 리간드 주입 – 마찬가지로, G q -DREADD는 해마와 같은 뇌 영역의 신경 지배를 통해 세포 기능을 조절하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 신경 지배는 감마-리듬을 증폭시켜 운동 활동을 증가시킵니다. [ 18 ]
경두 자기 자극 – 어떤 경우(예: 운동 피질 연구 )에는 이 기술이 기능적 손상이 아닌 자극 효과가 있는 것으로 분석될 수 있습니다.
광 유전학적 자극 – 빛에 의해 활성화되는 흥분성 단백질이 특정 세포에서 발현됩니다. 빛에 의해 활성화되는 양이온 채널인 채널 로돕신 -2(ChR2)는 빛에 반응하여 뉴런을 흥분시키는 것으로 밝혀진 최초의 박테리아 옵신입니다. [ 19 ] 하지만 ChR2를 개량하고 새로운 특성을 부여함으로써 여러 가지 새로운 흥분성 광유전학적 도구가 개발되었습니다. [ 20 ]
신경 활동 측정
광학 기술 – 신경 활동을 기록하는 광학적 방법은 활동 전위나 신경 전달 물질 방출과 관련된 세포 사건에 반응하여 신경 세포의 광학적 특성을 수정하는 방법에 의존합니다.
전압 민감 염료 (VSD)는 신경 활동을 광학적으로 감지하는 가장 초기 방법 중 하나였습니다. VSD는 일반적으로 신경 세포막의 전압 변화에 따라 형광 특성을 변화시켜 막의 역치 미만 및 역치 초과(활동 전위) 전기 활동을 감지할 수 있게 합니다. [ 21 ] 유전적으로 암호화된 전압 민감 형광 단백질도 개발되었습니다. [ 22 ]
단일 단위 기록(Single-unit recording ) – 살아있는 동물의 뇌에 전극을 삽입하여 전극 끝부분에 인접한 뉴런에서 생성되는 전기적 활동을 감지하는 방법입니다. 일반적으로 이 방법은 진정된 동물을 대상으로 시행되지만, 때로는 의식이 있는 동물을 대상으로도 시행됩니다. 예를 들어, 목마른 쥐가 물과 섞인 특정 사포를 휘젓는 것처럼, 결정 지점에서 뉴런의 발화 패턴을 측정하기 위해 이러한 방법을 사용합니다. [ 26 ]
다중 전극 기록 – 얇은 전극 묶음을 사용하여 최대 수백 개의 뉴런 활동을 동시에 기록하는 방법입니다.
기능적 자기공명영상 (fMRI)은 인간을 대상으로 가장 자주 적용되는 기술로, MRI 장비에서 뇌 혈류의 변화를 감지하여 더 큰 규모의 뇌 영역(즉, 수십만 개의 뉴런)의 상대적 활동을 나타내는 것으로 간주됩니다.
PET 뇌 스캔은 중독자와 비중독자 간의 뇌 화학적 차이를 보여줄 수 있습니다. 아래 줄의 정상적인 이미지는 비중독자의 뇌에서 나온 반면, 중독자의 뇌 스캔은 더 비정상적으로 보입니다.
양전자 방출 단층촬영 (PET)은 3차원 핵의학 검사를 통해 광자라는 입자를 검출합니다. 이 입자는 불소와 같은 방사성 동위원소를 주입할 때 방출됩니다. PET 영상은 해부학적 변화를 예측하는 병리학적 과정을 보여주므로 다양한 병리의 검출, 진단 및 특성 분석에 중요합니다. [ 27 ]
뇌파 (EEG)와 사건 관련 전위(event-related potentials) 의 파생 기법인 두피 전극을 사용하여 피질 뉴런의 평균 활동을 모니터링하는 기법(이 역시 인간 피험자에게 가장 많이 사용됨)입니다. 이 기법은 바늘 전극이나 식염수 기반 전극과 같은 다양한 유형의 전극을 기록 시스템에 사용합니다. EEG는 정신 질환, 수면 장애, 생리학적 기능 등을 조사하는 데 활용될 수 있으며, 뇌 발달과 인지 기능 참여를 모니터링할 수 있습니다. [ 28 ]
자기뇌파 (MEG)는 전자기적 활동을 측정하여 인간 뇌의 기능을 보여줍니다. 뉴런 내 전류가 생성하는 자기장을 측정하여 다양한 인체 기능과 관련된 뇌 활동을 밀리미터 단위의 공간 정확도로 실시간으로 식별합니다. 임상의는 비침습적으로 데이터를 확보하여 신경 질환을 평가하고 수술적 치료를 계획할 수 있습니다.
유전자 조작 – 유전체는 실험적으로 조작될 수도 있습니다. 예를 들어, 특정 유전자가 결핍되도록 유전자 조작된 녹아웃 마우스 를 만들거나, 일반적으로 유전자가 발현되지 않는 균주('형질전환')에서 유전자를 발현시킬 수 있습니다. 첨단 기술을 이용하면 조절 화학물질을 주입하여 유전자의 발현 또는 억제를 유도할 수도 있습니다.
행동 정량화
Anipose를 사용하여 3D로 추적되는
초파리( Drosophila melanogaster ) 다리 관절. [ 29 ]마커리스 포즈 추정 – 최근 몇 년 동안 컴퓨터 비전 기술 의 발전으로 피사체에 물리적 마커를 맞추지 않고도 동물의 움직임을 정확하게 정량화할 수 있게 되었습니다. 행동 분석에서 촬영한 고속 비디오에서 피사체의 주요 포인트를 프레임별로 추출할 수 있으며 [ 30 ] , 이는 신경 기록/조작과 함께 분석하는 데 종종 유용합니다. 특정 행동의 여러 단계(짧은 시간 척도) 내에서 주요 포인트(즉, 동물의 일부)가 어떻게 움직이는지 [ 31 ] 또는 동물의 행동 레퍼토리 전체(더 긴 시간 척도)에서 어떻게 움직이는지에 대한 분석을 수행할 수 있습니다. [ 32 ] 이러한 주요 포인트 변화는 신경 활동의 해당 변화와 비교할 수 있습니다. 머신 러닝 접근 방식을 사용하여 특정 행동(예: 앞으로 걷기, 돌기, 손질, 구애 등)을 식별하고 행동 간 전환의 역학을 정량화할 수도 있습니다. [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]
기타 연구 방법
계산 모델 - 컴퓨터를 사용하여 실제 문제를 공식화하고 솔루션을 개발합니다. [ 37 ] 이 방법은 종종 컴퓨터 과학에 초점을 맞추지만 다른 연구 분야로 이동하기 시작했습니다.예를 들어 심리학은 이러한 분야 중 하나입니다.계산 모델을 통해 심리학 연구자는 신경계의 기능과 발달에 대한 이해를 높일 수 있습니다.방법의 예로는 뉴런, 네트워크 및 뇌 시스템 모델링과 이론적 분석이 있습니다. [ 38 ] 계산 방법은 실험 명확화, 가설 검정 및 새로운 통찰력 생성을 포함하여 다양한 역할을 합니다.이러한 기술은 생물 심리학의 발전에 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. [ 39 ]
한계와 장점
다양한 조작에는 장단점이 있습니다. 수술, 전기 충격 또는 신경독소의 주요 결과로 파괴된 신경 조직은 결과를 교란시켜 물리적 외상이 관심 있는 근본적인 신경생리학적 과정의 변화를 가릴 수 있습니다. 예를 들어, 전기 분해 프로브를 사용하여 쥐 뇌의 특정 영역에 의도적인 병변을 만들 때 주변 조직이 영향을 받을 수 있습니다. 따라서 수술 후 실험군이 보이는 행동 변화는 특정 뇌 영역의 병변 때문이 아니라 어느 정도 주변 신경 조직의 손상 때문입니다. [ 40 ] [ 41 ] 대부분의 유전자 조작 기술은 영구적인 것으로 간주됩니다. [ 41 ] 첨단 유전자 조작을 통해 일시적인 병변을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 특정 유전자는 이제 식단을 통해 켜고 끌 수 있습니다. [ 41 ] 약리학적 조작은 또한 약물이 대사된 후 기능이 이전 상태로 돌아가면서 특정 신경전달물질을 일시적으로 차단할 수 있도록 합니다. [ 41 ]
주제 영역
편도체 활동과 운동 기술 학습을 향상시키기 위해 인간의 편도체를 비침습적으로 세타 버스트 자극하는 실험적 설정입니다.
일반적으로 행동신경과학자들은 행동의 기저에 있는 다양한 신경 및 생물학적 과정을 연구하지만, [ 42 ] 비인간 동물을 사용해야 한다는 제약이 있습니다. 결과적으로 행동신경과학 분야의 대부분의 문헌은 다음과 같은 다양한 동물 모델에서 공유되는 경험과 정신 과정을 다룹니다.
행동신경과학은 임상심리학과 생물학적 정신병리학 (이상심리학이라고도 함) 의 영역에 속하는 질환을 포함하여 의학적 질환의 이해에 기여해 온 오랜 역사를 가지고 있습니다 . 모든 정신 질환에 대한 동물 모델이 존재하는 것은 아니지만, 이 분야는 다음을 포함한 다양한 질환에 대한 중요한 치료 데이터를 제공해 왔습니다.
행동신경과학자들은 다양한 신경 영상 기법을 사용하여 다양한 인지 과정에 대한 연구를 수행합니다 . 인지 연구의 예로는 감정 정보 처리 과정에서 신경 상관관계를 조사하는 것이 있습니다. 예를 들어, 긍정적( 향유 ) 및 부정적( 반추 ) 감정을 지속적으로 처리하는 동안 주관적 정서와 신경 반응성 간의 관계를 분석한 연구가 있습니다. 이 연구의 목적은 반복적인 긍정적 사고(유익하다고 여겨짐)와 반복적인 부정적 사고(정신 건강 악화와 유의미하게 관련됨)가 유사한 기저 신경 메커니즘을 갖는지 분석하는 것이었습니다. 연구진은 향유 중에 더 강렬한 긍정적 정서를 경험한 사람들이 반추 중에 더 강렬한 부정적 정서를 경험한 사람들과 동일하다는 것을 발견했습니다. fMRI 데이터는 반추와 향유 중에 뇌 영역에서 유사한 활성화를 보였으며, 이는 두 유형의 반복적 사고 사이에 공통된 신경 메커니즘이 존재함을 시사합니다. 이 연구 결과는 긍정적 및 부정적 감정에 대한 반복적 사고가 주관적 및 기전적으로 유사함을 시사합니다. 이는 전반적으로 긍정적 및 부정적 정보 모두에 대한 지속적인 감정 처리가 발생하는 공통된 신경 메커니즘을 시사합니다. [ 43 ]
스트레스
행동 신경 과학 분야의 연구에는 스트레스 와 같은 다양한 감정 과정의 근간이 되는 복잡한 신경 해부학을 살펴보는 것이 포함됩니다 . Godoy 등(2018)은 스트레스 반응의 신경 생물학적 토대에 대한 심층 분석을 제공함으로써 이를 수행했습니다. 이 글은 스트레스 연구의 역사적 발전과 오늘날 신체적, 심리적 스트레스 요인과 관련된 연구로 이어지는 그 중요성에 대한 개요를 다룹니다. 저자들은 스트레스의 다양한 의미 요인과 그에 해당하는 신경 해부학적 처리 과정, 급성 및 만성 스트레스의 시간적 역학과 뇌에 미치는 영향을 탐구했습니다. 전반적으로 이 글은 신경 생물학적 렌즈를 통해 스트레스에 대한 포괄적인 과학적 개요를 제공하며 오늘날 스트레스 관련 연구 분야에서 우리의 현재 지식의 중요성을 강조합니다. [ 44 ]
수상
노벨상 수상자
다음 노벨상 수상자들은 합리적으로 행동 신경과학자 또는 신경생물학자로 간주될 수 있습니다. [ 누구에 의해? ] (이 목록에서는 거의 전적으로 신경해부학자 또는 신경생리학자 였던 수상자는 제외합니다 . 즉, 행동 또는 신경생물학적 변인을 측정하지 않은 수상자는 제외합니다.)
^ Schneider, M. Bret; Gradinaru, Viviana; Zhang, Feng; Deisseroth, Karl (2008). "신경 활동 조절". American Journal of Psychiatry . 165 (5): 562. doi : 10.1176/appi.ajp.2008.08030444 . PMID 18450936 .
^ Zhang, Feng; Wang, Li-Ping; Brauner, Martin; Liewald, Jana F.; Kay, Kenneth; Watzke, Natalie; Wood, Phillip G.; Bamberg, Ernst; Nagel, Georg; Gottschalk, Alexander; Deisseroth, Karl (2007). "신경 회로의 다중 모드 고속 광학 조사". Nature . 446 ( 7136): 633– 639. Bibcode : 2007Natur.446..633Z . doi : 10.1038/nature05744 . PMID 17410168. S2CID 4415339 .
^ Chow, BY 외. "광 구동 양성자 펌프를 이용한 고성능 유전적 표적화 광학 신경 침묵." Nature. Vol 463. 2010년 1월 7일
^ Weinreb, Caleb; Pearl, Jonah; Lin, Sherry; Osman, Mohammed Abdal Monium; Zhang, Libby; Annapragada, Sidharth; Conlin, Eli; Hoffman, Red; Makowska, Sofia (2023-03-17), "Keypoint-MoSeq: 포인트 추적을 포즈 역학에 연결하여 동작 분석", BioRxiv: 생물학을 위한 사전 인쇄 서버 , doi : 10.1101/2023.03.16.532307 , PMC 10055085 , PMID 36993589