This study aims to understand how oscillations of the prefrontal cortex lead to behavioral expression of higher cognitive function, as well as the specific mechanism that underpins it. Even though there has been considerable amount of understanding in the microscopic level (e.g., spiking) mechanism, there has been a lack of empirical findings that explain how prefrontal oscillations modify neural processing in meso- and macroscopic levels. Due to their direct linkage between large scale neural dynamics and cognitive processes which are innately emergent, studies on the influence of neural oscillations in meso- and macroscopic level explains the principle of behavior better than those of microscopic level. These studies have relied heavily on human participants to characterize the precise behavioral state of experimental subjects, where the use of invasive research procedures is severely restricted, rather than rodent models. As a result, establishing the causality of the role of prefrontal oscillations in changing neural processing in meso- and microscopic neuronal entities that directly represent higher cognitive functions become increasingly challenging. In this study, without relying on human or non-human primate subjects, I show how prefrontal oscillations modify neural information processing in meso- and macroscopic scale by overcoming the constraints of rodent model studies. In addition, I provide novel interpretations of the effect of prefrontal oscillations on cortical information, taking into consideration the information processing rules of the multilevel functional entities that comprise the nervous system. To this end, advanced methods for experimentation, measurements, and machine learning-based behavioral analyses were introduced, to observe the micro-states of mice which has non-uniformity by dissecting them in sub-second level, as well as through systematic quantitative EEG analysis. First, the role of prefrontal theta wave is to be investigated, in facilitating unidirectional relay of sensory information. Using visual Go/No-go task and behavioral analysis that assumes non-uniformity of sustained attention, I revealed that prefrontal theta inhibits endogenous brain activities in the visual cortex to promote sensory relaying in the occipital-prefrontal direction. Secondly, I introduced a predator threat situation in freely moving mice to study the link between behavior and prefrontal oscillations in a state of high ecological validity. Artificial intelligence and image processing techniques were used to dissect non-uniform behavioral states as microstates in sub-second units, and it was discovered that prefrontal oscillations of low- and high theta led to flexible transitions of behavior states through transient network compositions. Furthermore, by applying motion trajectory analysis, I found the role of prefrontal beta oscillations is a top-down gating of sensory information by silencing feedforward fast components in neural activities from the basolateral amygdala. Lastly, I introduced an example of rodent EEG database in a standardized format database, published with the core analysis scripts used for data analysis, supporting the open science movement triggered by replication crisis, especially in the human and primate model-based cognitive sciences community. Current study explains how the prefrontal oscillations affect the functional entities at the meso- and macroscopic level through specific examples: (1) facilitating relaying of sensory information, (2) flexible switching of neural circuits, and (3) selective gating. Furthermore, the significance of this study also stands at where it provides a steppingstone of translational research by using rodent model.
본 연구는 뇌파로 관찰되는 전전두피질 신경활동의 동기화가 고등인지기능의 행동적 발현으로 이어지는 과정과 그 구체적인 기전을 연구하는 것을 목적으로 한다. 전전두피질이 고등인지기능을 발현하는 과정에서 신경활동의 동기화가 관찰되는데, 이러한 신경 동기화가 뇌 기능실체의 정보처리에 미치는 영향에 대해 신경발화 등 미시적 수준에서는 상당한 이해가 축적된 반면 중거시적 수준에서의 영향에 대한 실증적 연구는 부족하였다. 신경 동기화의 중거시적 수준에서의 영향 연구는 창발적 특성을 가진 인지 및 행동과의 연관성이 명확하기 때문에, 미시적 수준에서의 연구들보다 행동의 발현 원리에 대한 설명력이 높다는 특성을 가진다. 이러한 중거시적 수준 연구에서는 정교한 행동 상태의 관찰이 핵심이기 때문에, 침습적 방법론의 적용이 쉽지만 행동 상태를 특정 짓기 어려운 설치류보다는, 침습적 관찰이 어렵지만 행동 상태를 특정 짓기 용이한 인간 및 영장류 모델에 의존해왔다. 그 결과 신경 동기화가 뇌 중거시적 기능실체에의 영향을 미쳐 고등인지기능이 발현되는 과정에 대해 침습적 방법론을 통한 인과 연구는 어렵게 되었다. 본 연구에서는 기존 설치류 모델의 연구가 가진 한계들을 극복하여 인간 및 영장류 모델에 의존하지 않고도 전전두 신경 동기화가 뇌의 중거시적 기능실체에 어떤 영향을 주는지 규명할 수 있음을 보일 것이다. 나아가 신경계를 구성하는 다수준 기능실체들의 정보처리 규칙들을 고려해 전전두 신경동기화가 대뇌 정보처리 및 목표지향적 행동에 미치는 영향에 대한 새로운 해석까지도 제시하고자 한다. 이를 위해 진보된 실험 및 측정법과 비정형화 행동분석법을 도입해 생쥐의 행동적 상태를 미소상태 단위로 나누어 관찰하였고, 체계적 정량뇌파 분석과의 연계를 통해 기존 생쥐 모델 뇌인지 연구가 가진 한계를 극복하였다. 먼저, 지속적 집중을 요하는 인지통제 과제를 사용해 전전두피질 세타뇌파(7 Hz)의 역할을 관찰하였는데, 과제수행률의 비균일성을 가정한 행동 분석을 통해 전전두피질 세타뇌파가 시각피질 뇌 활동의 억제를 통해 후두-전두 방향의 단방향 정보전달을 촉진하는 역할을 한다는 것을 규명하였다. 둘째로, 자유롭게 움직이는 생쥐 개체에게 포식자 위협 상황을 연출하여 생태학적 타당성이 높은 상태에서 방어행동과 피질-편도체 회로의 뇌파 간 관계를 관찰하였다. 위협 받는 생쥐가 보여주는 비균일적 행동 상태를 인공지능 및 영상처리 기법을 통해 초 이하 단위의 미소상태로 특정하였고, 이를 통해 내측전전두피질의 세타뇌파(5 Hz & 10 Hz)가 배외측편도체와의 망 구성을 통해 행동 상태의 유연한 전환을 이끌어냄을 발견하였다. 나아가 생쥐가 전략적으로 위협을 회피하고자 할 때 베타뇌파(30 Hz)가 수반됨을 관찰하였는데, 움직임 궤적 분석을 통해 전전두피질의 베타뇌파가 하향식 정보처리 기작으로서 배외측편도체로 들어오는 게이팅하여 상향식 정보처리의 원활한 처리를 방해한다는 것을 발견하였다. 마지막으로, 본 연구의 마지막 챕터에서는 설치류 뇌파 데이터를 표준화된 형식의 데이터베이스로 구축하고 데이터 분석에 사용한 핵심 코드들을 공개출판하는 작업을 통해, 인간 및 영장류 모델 기반 신경과학계의 오픈사이언스 움직임에의 동참을 도모하였다. 본 연구는 전전두엽의 뇌파가 중거시적 수준에서의 기능실체에 구체적으로 어떤 영향을 미치는지 (1) 정보전달 촉진과 (2) 회로 스위칭, 그리고 (3) 정보의 선택적 게이팅이라는 구체적인 사례들을 통해 규명하였다. 나아가 설치류의 뇌파 데이터를 표준화하고 이를 공개 데이터베이스화하여 재현가능성에 기반한 오픈사이언스의 촉진을 도모하였는데, 이를 미시적 수준에서의 회로 기작이 많이 알려진 설치류의 뇌에서 진행하여 중개 연구의 초석을 다졌다는 점에서 본 연구의 의의가 특히 크다.
