뇌신경공학 중간 review

1. 무릎(knee cap) 반사

1. 무릎에 자극을 준다. - 무릎 반사 과정에서 무릎을 가볍게 치면

2. 근육 감응기가 활성화 되며 감각 섬유를 통해 척수로 신호를 전달한다.  - 근육 감응기(Muscle spindle)가 활성화되어 향입 섬유(Afferent fiber)를 통해 척수로 신호를 전달합니다.

3. 척수에서 억제성 신호와 운동신호가 발생한다. - 척수에서는 근육의 운동신경원과 억제성 인터뉴런이 활성화됩니다.

4. 억제성 신호는 후면근육(햄스트링), 운동신호는 전면근육에 도달한다. - 운동신경축삭(Motor axon)을 통해 억제 신호와 운동 신호가 전달된다.

5. 후면 근육은 억제되고, 전면 근육은 수축하며 다리가 들리는 반응이 일어난다. - 햄스트링은 억제되고 전면에 위치한 근육은 활성화 된다.

전면 근육의 신경전달 과정:

자극 -> 근육 spindle활성화 -> 역치를 넘으면 -> Action potential발생 -> 시냅스 transmitter 정보전달
-> 이후 뉴런에서 과정 반복 -> 근육 활성화

2. 뉴런 구조와 기능

수상돌기(Dendrites)	전기, 화학적 신호를 다른 뉴런으로부터 수용
세포체(Cell body)	뉴런의 생명 활동 유지
축삭 고저(Axon hillock)	신호의 통합
랑비에르 노드(Node of Ranvier)	신경신호 빠르게 전달
마이엘린(Myelin)	절연체로 신경신호 빠르게 전달
축삭(Axon)	신호를 전달하는 섬유
축삭 말단 (Presynaptic terminals)	신경전달 물질을 통해 다음 뉴런으로 신호 전달

3. 활동전이(Action potential) 발생 과정

1. 뉴런이 자극을 받음(-70mV)

2. Na+채널이 약간 열리면서 세포막 내부로 Na+이온 유입

3. 막전위가 상승하면서 역치를 넘으면 Na+채널이 더 열리면서 Action potential발생(40mV)

4. K+채널이 열리면서 K+이온이 세포막 밖으로 유출, 막전위 하락

5. 이미 평형전위에 도달했지만 K+채널이 느리게 닫히면서 막전위가 좀 더 하락

6. 이온 펌프에 의해 평형전위로 복구

 

4. 시냅스에서의 신호 전달

1. Presynaptic(시냅스 전단)에 Action potential 도달

2. Presynaptic(시냅스 전단)에서 Ca2+채널이 열리면서 Ca2+이온 유입

3. Synaptic vasicle(시냅스 소포체)의 세포막 결합 촉진

4. Synaptic vasicle내부의 transmitter 방출

5. Postsynaptic(시냅스 후단)에서 Na+(EPSP발생)혹은 Cl-(IPSP발생) 채널이 열린다.

6. EPSP와 IPSP의 합산으로 Action potantial 활성화 여부 결정(공간적, 시간적 합산)

 

5. 중추신경계 (뇌 + 척수)

아래에서 부터 척수 -> 중뇌 -> 뇌교 -> 간뇌(시상, 시상하부) -> 대뇌

척수(Spinal cord)	말초와 중추신경계 연결, 무릎반사, 촉각 통각 담당
뇌간(Brainstem) – 연수(Medulla)  – 뇌교(Pons) – 중뇌(Midbrain)	연수: 심박, 소화, 호흡 뇌교: 움직임 관련 정보를 대뇌로 전달 중뇌: input(감각), output(운동)정보 담당
간뇌(Diencephalon) – 시상(Thalamus) – 시상하부(Hypothalamus)	시상: input(감각)정보를 대뇌로 전달 시상하부: 내분비샘 조절, 자율신경계 조절
소뇌(Cerebellum)	움직임의 미세 조정
대뇌(Cerebrum)	고차원적 사고

 

6. 대뇌의 4 - lobe

Frontal lobe = 전두엽 (논리사고, 운동)

Temporal lobe = 측두엽 (기억, 청각)

Parietal lobe = 두정엽 (감각)

Occiptal lobe = 후두엽(시각)

두개의 뇌 주름을 기준으로 왼쪽은 운동, 오른쪽은 감각으로 분류

중간의 회색 부분은 청각 담당

후두엽은 시각 담당

 

7. 뇌의 구성요소

밖에서 안쪽으로 순서대로 나열

1. white matter(백질) - 연결

2. gray matter(회색질) - 정보 처리

3. Basla ganglia(기저핵) - 운동 제어

4. Thalamus(시상) - 감각정보 대뇌 전달

5. Hippocampus(해마) - 기억

 

8. 척수

1. 감각정보는 척수의 dorsal root filament를 통해 전달.

2. 중추신경계(뇌 + 척수) => 뇌는 백질이 바깥, 척수는 회색질이 바깥쪽에 위치한다.

3. 척수의 구조는 동일하다.

 

9. 교감신경 부교감 신경

 교감신경계
- 심박증가, 동공 확대, 소변배출 억제, 기관지 확장, 침분비X, 소화 억제

부교감신경계

- 심박감소, 동공 축소, 소변배출 활성화, 기관지 수축, 침분비O, 소화 활성

 

10. 신경신호 측정

하나의 신경세포 측정

1) dendrian측정(신호합산)
- intracellular recording(세포안 기록)방법의 측정이다.
- 활동전위와 EPSP, IPSP( local field potential )(15mV) 모두 측정된다.

2) 세포외 측정

- extracellular recording(세포외 기록)방법의 측정이다.

- Action potential이 미세하게 측정된다.(0.1mV)

3) axon 측정

- intracellular recording(세포안 기록)방법의 측정이다.

- 활동전위만 측정된다.

 

11. 측정신호별 특성 그래프

1. space 범위 넓은 기준

EEG (Electroencephalogram)

MEG (Magnetoencephalogram)

ECoG (Electrocorticogram)

LFP (Local filed potential)

Optical imaging

Extraceullar recording

Intracelullar recording

 

12. 신경신호 측정 회로 시스템 구성

뇌 뼈 안

1. 전극 2. 증폭기 3. MUX

뇌 뼈 밖

4. HPF, LPF 5. A/D 6. MCU

 

13. 반도체 나노 기술을 이용한 전극 제작

1. 제작이 어렵다. (단점)

2. 가격이 비싸다. (단점)

3. 전극 크기, 모양, 전기적 특성을 정밀하게 조절할 수 있다.

4. 전극과 신호처리 회로를 단일칩 형태로 만들 수 있다.

 

14. 뇌신경 신호 측정

1. action potential(높은 주파수)과 local field potential(낮은 주파수)은 동일 한 전극으로 측정할 수 있다.

2. 보통 local field potential은 낮은 추파수, action potential 높은 주파수를 가진다.

3. local field potential 파형은 100um보다 멀리 퍼진다.

4. local field potential 은 ECoG보다 더 정밀하다.

 

15.  침습적, 비 침습적 측정 방법

비침습적 neuroimaging

- EEG

- MEG
- fMRI

 

침습적 neuroimaging

- ECOG

- LFP

- Intracelullar recording, Extraceullar recording

 

16. 뇌파

1. Delta(델타): 0.5 - 3Hz

2. Theta(세타): 4 - 7Hz

3. Alpha(알파): 8 - 13Hz

4. Beta(베타): 14 - 30Hz

5. Gamma(감마): 30Hz - 

17. 스팩트럼

 

시간- 크기 신호를 => 주파수 - 진폭, 주파수 - 위상 그래프로 변환

 

17. 스팩토그램

(short-time FT) 를 이용해 시간 - 크기 그래프를

시간 - 주파수로 변환함