고려대 의과대학 - 통합적 행동분석 시스템 개발

Author(s):
김동훈 연구원 - 고려대학교 의과대학 약리학교실 섭식장애·비만 연구실

Industry:
Life Science

Products:
SCXI, PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
항온항습이 유지되는 chamber내에서 충분한 수의 실험동물의 에너지와 관련된 행동을 통합적으로 측정하고 분석하는 시스템이 필요하게 되었다.

The Solution:
시스템은 meal structure의 연구를 위한 식이 섭취의 양상과 음수 섭취 행동을 분석하고 자발성활동량을 동시에 측정하기 위한 장치로 구성되어 있다. 측정된 방대한 행동 자료는 분석 s/w을 사용하여 연구자의 의도에 맞게 실험결과를 얻을 수 있다.

요약
통합적 행동분석 시스템(Integrated Behavior Analysis System)은 항온항습조 내에서 24마리 실험동물의 다양한 에너지-관련 행동을 동시에 1일 24시간 동안 연속적으로 측정할 수 있는 실험장치이다. 이 시스템은 meal structure의 연구를 위한 식이 섭취의 양상과 음수 섭취 행동을 분석하고 자발성활동량을 동시에 측정하기 위한 장치로 구성되어 있다. 측정된 방대한 행동 자료는 분석 s/w을 사용하여 연구자의 의도에 맞게 실험결과를 얻을 수 있다.

개발 배경
약물의 개발 및 유전요인 규명하기 위한 연구를 위해 실험동물을 이용한 전임상연구가 매우 중요하며, 특히 단시일내에 이들 약물 및 유전자의 다양한 효과와 부작용을 밝혀내는 것이 필요하였다. 따라서 최근에 충분한 수의 실험동물의 행동을 통합적이며 장시간 측정하고 분석하는 것이 중요시 되었다. 그러나 기존의 행동분석 실험장치들은 개별적인 행동을 한시적으로 관찰해야 했으므로 실험을 반복적으로 수행하여야 했다. 또한 다양한 행동의 통합적인 연구를 하기 위해 기존의 개별적인 실험장치를 조합하여 실험하려는 시도가 있었으나 가격적인 부담과 많은 실험장치로 인한 공간적인 문제가 매우 심각하였다. 그러므로 항온항습이 유지되는 chamber내에서 충분한 수의 실험동물의 에너지와 관련된 행동을 통합적으로 측정하고 분석하는 시스템이 필요하게 되었다.

본론
본 연구실은 실험의 특성상 장기간 에너지-관련 행동의 평가를 위해 보다 안정적인 시스템이 필요하였다. 따라서 특별히 제작된 항온항습조 내에서 환경에 민감한 에너지-관련 행동들(식이 및 음수 섭취, 자발성행동량)을 동시에 연속적으로 장기간동안 안정적으로 측정할 수 있도록 LabVIEW를 이용하여 구성하였고, 안정적인 실험을 위해 실험상황을 실험동물실 외에서 monitoring할 수 있도록 하였다.

1. 시스템 구성
실험동물의 자발성활동량은 항온항습조를 2층으로 나누어 각 층에 2대의 CCD 카메라를 설치하여 총 4대의 CCD 카메라로 synchronization하여 1대당 40 ms/frame의 속도로 1회전시 160 ms 간격으로 총 24 마리의 실험동물의 이동을 관찰하도록 하였다. 식이 섭취는 24개의 loadcell을 이용하여 연속적인 식이상자(Feeder)의 무게 변화를 감지하도록 하였고, 음수 섭취는 24쌍의 photosensor를 이용하여 음수섭취시간을 측정하였다.

그림 1. 시스템 구성 개략도

2. 소프트웨어 및 Block diagram
식이와 음수섭취행동, 자발성활동량을 측정하기 위해 3종류의 data acquisition s/w를 제작한 후 한가지 s/w로 구동되도록 구성하였다. 1일 24시간동안 연속으로 수일 또는 수십일간 실험하여 얻은 24마리의 방대한 양의 행동 data를 연구자가 원하는 형태의 실험결과로 얻기 위하여 4종류의 data analysis s/w를 제작하였다.

그림 2. Integrated behavior analysis system 및 소프트웨어 구성

그림 3. 측정 s/w의 Block diagram 예

3. 측정 내용 설명
자발성활동량은 1대의 카메라가 얻은 영상에 6개의 다각형의 영역을 지정한 후 각 실험동물의 이동거리를 측정하여 원하는 시간간격으로 저장한다. 카메라 왜곡의 실험환경을 모든 실험동물에 부여하기 위하여 육각형 모양의 cage를 제작하였다. 실험동물의 활동성의 일일주기성은 중요한 행동학적 의미를 지니기 때문에 낮밤에 따라 자동으로 실험동물을 구분할 수 있도록 함수를 제작하고, 외부에서 실험상황을 파악할 수 있도록 monitoring window를 부여하여 실험종료시까지 실험자의 간섭을 최소화 하도록 하였다. 또한 실험의 편의를 위해 지정된 영역의 반복사용 기능과 실험동물의 이동경로 파악을 위한 tracking 화면도 첨가하였다.
식이섭취는 Feeder의 무게 변화를 측정하여 실험동물이 식이섭취시 변화하는 Feeder 무게와 noise를 구분할 수 있도록 한 후, 식이섭취 전후의 무게 변화를 감지하여 식이섭취시간과 섭취량을 기록하도록 한다. 이들 data는 식이섭취분석 s/w을 이용하여 주야간 구분하고 식욕변화의 지표인 meal parameter를 분석한다. Meal parameter로는 일일식이섭취량, 식이섭취시간, 평균1회식이량, 식이섭취빈도, 식이섭취속도, satiety ratio, intermeal interval 등의 실험결과를 얻는다. 이들 parameter는 아직 많은 연구자들 사이에서도 이견이 있으며, 실험조건에 따라 증명해 보이고자 하는 내용이 다르므로 각 기준에 따라 parameter들을 구분할 수 있는 기능을 부여하였다. 24마리의 방대한 양의 자료를 분석하기 위해 식이섭취분석 s/w을 이용하여 원하는 조건(일일주기성, 일간주기성 등)에 따라 실험군끼리 최종 자료가 분류되도록 한다. 이 실험결과는 다음 작업이 용이한 text 파일로 얻는다.
음수섭취는 식이섭취와 연계하여 meal structure를 파악할 수 있도록 하고, food to water ratio 및 음수시간의 결과를 얻는다. 식이섭취분석 s/w에 부여된 기능을 지닌 음수섭취분석 s/w를 이용하여 최종실험결과를 얻는다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
1. 실험 결과의 정확성 향상
식이섭취 양상을 위한 연구는 주로 개체가 큰 흰쥐에서 이루어져 왔으나 최근 유전자조작 생쥐의 증가로 보다 섬세한 실험장치가 필요하게 되었다. LabVIEW를 이용한 본 시스템의 개발로 기존 상품화된 실험장치의 단점을 크게 개선하고 정확한 실험결과를 얻을 수 있었다. 또한 제한된 시간동안의 기존 연구보다도 1일 24시간동안 자동 관찰함으로써 기존에 쉽게 간과되었던 환경에 대한 적응문제 등의 중요성을 파악하고 보다 정밀한 실험 결과를 얻을 수 있었다.

2. 저비용, 고효율로 24마리 실험동물의 행동을 동시 측정 및 분석 가능
기존의 상품화된 제품을 구입하는 것 보다 현저히 낮은 가격으로 연구자가 실험하고자 하는 시스템을 LabVIEW로 구성할 수 있었고, 특히 IMAQ Vision을 각종 함수를 이용한 자발성활동량의 측정 장치 개발은 가격적인 면이나 자동화된 성능 면에서 매우 우수하였다. 또한, 항온항습조 내에서 24마리의 실험동물을 동시에 연속적인 실험을 할 수 있어 실험의 안정성과 효율성을 크게 향상시킬 수 있었다.

3. 행동약리학 연구의 적용범위 확대
의학분야의 연구만 수행해온 연구자도 LabVIEW내의 함수를 응용하여 상품화된 제품보다 나은 실험장치를 쉽게 제작할 수 있었고, 무엇보다 연구자가 용이하게 직접 아이디어를 구현함으로써 실험장치의 이용자가 아닌 개발자로서 새로운 연구의 적용시간을 크게 단축하고 응용가능성을 확대할 수 있었다.

이상에서, 국제학회와 외국의 관련된 연구기관을 방문하여 본 시스템을 비교한 결과, 공학계열 전공자가 아닌 의학계열 연구자도 단기간의 National instrument사의 교육과정을 통해 단시일내에 LabVIEW를 습득하고 각자의 분야에서 적용한다면 충분히 가장 앞선 연구 주제를 선도할 수 있을 것으로 기대된다.

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김동훈 연구원
고려대학교 의과대학 약리학교실 섭식장애·비만 연구실

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