A red-emitting, genetically encoded indicator for two-photon voltage recording in vivo

뇌를 수십억 개의 작은 전령(뉴런)들이 빠른 전기 스파크를 보내며 소통하는 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 이 도시가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해, 과학자들은 도시의 벽을 허물지 않고도 이 스파크의 소리를 "들을" 수 있는 방법이 필요합니다.

오랫동안 과학자들에게는 GEVI(유전적으로 부호화된 전압 지표)라는 특별한 도구가 있었습니다. 이것을 특정 유형의 뉴런에 프로그래밍할 수 있는 아주 작고 투명한 보안 카메라라고 생각하면 됩니다. 뉴런이 전기 스파크를 일으키면 이 카메라는 빛을 내어, 과학자들이 실시간으로 활동을 볼 수 있게 해줍니다.

하지만 기존 카메라에는 큰 문제가 있었습니다:

• 색상의 문제: 대부분의 카메라는 청색이나 녹색 빛을 내며 반짝였습니다. 하지만 뇌의 깊은 곳(예를 들어 고층 빌딩의 지하층을 들여다보는 것과 같은 곳)을 보기 위해서는, 과학자들은 이광자 흥분(two-photon excitation)이라는 특별한 "손전등"을 사용해야 합니다. 청색이나 녹색 빛은 뇌 조직에 의해 차단되는데, 이는 마치 짙은 안개 속에서 약한 손전등으로 무언가를 보려는 것과 같습니다.
• 레드의 공백: 과학자들은 적색으로 빛나는 카메라가 필요했습니다. 적색 빛은 안개를 뚫고 뇌 깊숙한 곳까지 도달할 수 있는 강력한 레이저와 같습니다. 또한, 적색 빛은 다른 도구들(예를 들어 뉴런을 제어하기 위해 사용되는 청색광 스위치)과 함께 사용할 때 서로 방해하지 않고 잘 어우러집니다.

문제점: 지금까지 존재했던 적색 카메라들은 이 깊은 조직용 "이광자" 손전등과 함께 사용하기에는 너무 어둡거나 느렸습니다. 그것들은 마치 어둠 속에서 빠르게 움직이는 자동차를 고장 난 카메라로 선명하게 찍으려는 것과 같았습니다; 결과는 흐릿하거나 아예 찍히지 않았습니다.

해결책: VADER1
이 논문은 VADER1이라는 새로운 발명품을 소개합니다. VADER1을 깊은 조직 작업을 위해 특별히 설계된 새로운 고성능 적색 보안 카메라라고 생각하십시오.

VADER1이 기존의 것들이 할 수 없었던 기능은 다음과 같습니다:

• 깊은 시야: 이 도구는 이광자 손전등과 완벽하게 작동하여, 과학자들이 뇌의 가장 깊은 층(구체적으로 언급된 곳: 피질의 5층)에서도 전기 스파크를 명확하게 볼 수 있게 해줍니다.
• 빠르고 유연함: 뉴런이 발화하는 찰나의 스파크를 포착할 수 있을 만큼 빠릅니다. 과학자들이 뇌를 무작위로 스캔하든(특정 집들을 확인하는 것처럼), 혹은 빠르게 훑는 동작으로 스캔하든(보안 요원이 전체 순찰을 도는 것처럼) 상관없이 작동합니다.
• 팀 플레이어: 적색으로 빛나기 때문에 다른 도구들과 충돌하지 않습니다. 과학자들은 VADER1을 사용하여 전기 스파크를 관찰하는 동시에, 다른 도구를 사용하여 칼슘 수치(뇌 활동의 또 다른 신호)를 관찰함으로써, 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 "이중 색상" 뷰를 만들 수 있습니다.

핵심 요약
VADER1은 퍼즐의 결정적인 누락된 조각을 채워줍니다. 이 도구는 마침내 깊은 뇌 이미징과 빠른 전기 신호 및 기타 신경 이벤트를 동시에 관찰하는 능력을 결합할 수 있게 해줍니다. 이는 과학자들이 물리적인 전선을 삽입하지 않고도 오직 빛만을 사용하여 뇌의 전기 도시를 관찰하고 제어할 수 있는 "전광학적 전기생리학(all-optical electrophysiology)"의 새로운 시대를 열어줍니다.