Multi-region two-photon calcium imaging in freely moving animals
저자들은 자유롭게 움직이는 동물에서 멀리 떨어진 뇌 영역 간의 동시 고해상도 칼슘 이미징을 가능하게 하여 자연스러운 행동 중 발생하는 복잡한 영역 간 신경 협응을 밝혀내는 경량 이색(dual-color) 이광자 미니스코프 시스템인 MINI2P-II를 소개한다.
원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. 이것은 동료 심사를 거치지 않은 프리프린트의 AI 생성 설명입니다. 의학적 조언이 아닙니다. 이 내용을 바탕으로 건강 관련 결정을 내리지 마세요. 전체 면책 조항 읽기
뇌는 하나의 고립된 단일 명령 센터가 아니라, 각기 특정 과업을 수행하면서도 끊임없이 서로 대화를 나누는 멀리 떨어진 이웃들의 거대한 네트워크입니다. 달리기, 기어오르기, 또는 노래하기와 같은 복잡한 행동이 어떻게 발생하는지 이해하기 위해서 과학자들은 이 멀리 떨어진 이웃들이 어떻게 일제히 작동하는지를 관찰해야 합니다. 수십 년 동안 이 활동을 관찰하기 위해 사용 가능한 도구들은 어려운 선택을 강요해 왔습니다. 연구자들은 자유롭게 움직이는 동물의 단일 뇌 영역을 관찰하기 위해 아주 작은 카메라를 사용할 것인지, 아니면 여러 영역을 동시에 듣기 위해 전극을 사용할 것인지 선택해야 했습니다. 하지만 전극은 종종 조직을 손상시키거나 시간이 지남에 따라 동일한 세포를 놓치곤 했습니다. 살아있는 조직 내부를 놀라운 선명도로 깊숙이 들여다보는 기술의 표준은 투광층 현미경(two-photon microscopy)이라 불리는 기술인데, 이는 집중된 빛을 사용합니다. 그러나 이 고품질 이미징에 필요한 장비는 역사적으로 작은 동물이 감당하기에는 너무 무거웠으며, 이로 인해 상세한 관찰은 진정제를 투여받거나 고정된 기계에 연결된 동물로 제한되었습니다.
연구팀은 이제 이 무게의 장벽을 깨뜨려, 동물이 자유롭게 움직이는 동안에도 뇌의 멀리 떨어진 이웃들이 실시간으로 어떻게 협력하는지 관찰할 수 있는 해결책을 구축했습니다. 그들은 단 1.1그램의 무게를 가진 새로운 장치를 만들었는데, 이는 쥐나 심지어 작은 노래하는 새조차도 자연스러운 행동을 방해받지 않고 운반할 수 있을 만큼 가볍습니다. 과학자들은 이 장치 두 개를 한 마리의 동물에 장착함으로써, 이 정도 수준의 정밀도로 두 개의 분리된 뇌 영역을 동시에 기록하는 것을 최초로 구현했습니다. 그들은 이 설정이 뇌의 양쪽 절반이 어려운 신체적 과업을 수행하는 동안 어떻게 조율되는지, 인접한 뇌 영역들이 공간 정보를 어떻게 부호화하는지, 그리고 어린 새들의 뇌가 어떻게 노래를 배우는지 연구하는 데 효과적임을 입증했습니다. 이 연구는 분산된 신경 회로의 조율된 활동을 보는 창을 열어주었으며, 뇌의 복잡한 대화가 완전하고 자연스러운 맥락 속에서 관찰될 수 있음을 보여주었습니다.
이 성과의 핵심은 연구진이 MINI2P-II라고 부르는 새로운 현미경의 설계에 있습니다. 이전의 투광층 현미경 축소 시도는 흔히 이미지 품질의 저하나 뇌 깊은 곳을 보는 능력의 상실을 초래했습니다. 새 장치는 빛이 장치를 통과하는 방식을 재고함으로써 이를 극복했습니다. 설계자들은 여러 개의 별도 렌즈와 거울을 사용하는 대신, 여러 기능을 단일 구성 요소로 결합하고 빛의 경로를 접어서 동일한 물리적 공간을 차지하게 했습니다. 또한 무거운 금속 부품을 가벼운 탄소 섬유 재료로 교체하였고, 동물이 몸을 비틀거나 회전할 때도 레이저 빛이 안정적으로 유지되도록 새로운 유형의 광섬유 케이블을 사용했습니다. 그 결과, 이전 모델보다 무게는 절반 미만이지만 더 선명한 이미지, 더 넓은 시야, 그리고 뇌 조직 더 깊은 곳을 볼 수 있는 능력을 갖춘 장치가 탄생했습니다. 결정적으로, 이 장치는 모듈식으로 설계되어 전체 시스템을 다시 구축하지 않고도 다른 부품을 교체하거나 업그레이드할 수 있습니다.
연구진은 이 가벼운 장치가 격렬한 움직임 중에도 뇌 활동을 포착할 수 있는지 증명하기 위해, 쥐가 도전적인 신체 과업을 수행하는 실험을 진행했습니다. 그들은 쥐가 먹이 보상을 얻기 위해 수직 사다리를 기어오르도록 훈련시켰는데, 이는 앞다리와 뒷다리의 정밀한 협응이 필요한 행동입니다. 두 개의 MINI2P-II 현미경을 사용하여, 연구진은 뇌의 좌측과 우측에 있는 운동 피질으로부터 동시에 기록했습니다. 데이터에 따르면 뇌의 양측은 단순히 서로를 거울처럼 반영하는 것이 아니었습니다. 등반하는 동안 뇌의 오른쪽 활동은 뇌의 왼쪽 활동보다 아주 짧은 순간 앞서 나타났는데, 이는 이 복잡한 움직임을 위한 특정한 명령 순서가 존재함을 시사합니다. 나아가, 평균적인 활동이 아닌 개별 세포를 관찰했을 때, 그들은 등반 중에 양쪽 뇌의 특정 뉴런 그룹들이 긴밀한 클러스터를 이루며 함께 발화하는 반면, 다른 그룹들은 서로 반대로 발화한다는 것을 발견했습니다. 이러한 복잡한 조율 패턴은 뇌의 한쪽만을 보거나 모든 세포의 활동을 평균 냈을 때는 보이지 않던 것이었습니다.
또한 연구진은 이 기술이 서로 매우 가까이 있는 뇌 영역들을 연구하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 두 개의 별도 현미경을 사용할 경우 장치들이 동물의 머리 위에서 물리적으로 충돌하기 때문에 이는 이전에는 불가능했던 작업이었습니다. 그들은 특수 렌즈와 프리즘으로 만들어진 일종의 작은 잠망경인 새로운 광학 어셈블리를 개발하여, 현미경의 시야를 옆과 아래로 이동시켰습니다. 이를 통해 두 개의 현미경을 쥐의 머리 한쪽에 장착하면서도 서로 다른 인접 뇌 영역을 볼 수 있게 되었습니다. 이 설정을 사용하여 그들은 동물의 환경을 탐색하는 데 도움을 주는 것으로 알려진 레트로스플레니얼 피질(retrosplenial cortex)과 후방 두정 피질(posterior parietal cortex)로부터 기록했습니다. 그들은 두 영역 모두 동물이 벽 근처에 있을 때 반응하는 세포들을 포함하고 있지만, 레트로스플레니알 피질의 세포들은 동물의 왼쪽에 벽이 있을 때 훨씬 더 많이 반응하는 반면, 두정 피질의 세포들은 양쪽 벽에 대해 더 균형 잡힌 반응을 보인다는 것을 발견했습니다. 이처럼 두 영역이 세상을 지도화하는 미묘한 차이는 동일한 동물 내에서 두 영역을 동시에 기록하지 않고서는 탐지할 수 없었을 것입니다.
마지막으로, 장치의 극도로 가벼운 무게 덕분에 연구팀은 이러한 연구를 훨씬 더 작은 동물과 더 어린 발달 단계로 확장할 수 있었습니다. 그들은 이 현미경을 사용하여 작은 노래하는 새 종인 얼룩꼬리핀치(zebra finch)의 뇌를 성공적으로 기록했습니다. 성체 새의 경우, 노래 제어를 담당하는 뇌 세포들이 암컷과 상호작용할 때는 조용히 있다가 노래를 시작하는 순간 폭발적으로 활성화되는 것을 관찰했습니다. 또한 아직 노래를 배우고 있는 어린 새의 뇌에서도 기록을 진행했습니다. 이 어린 새들의 뇌 세포들은 노래를 하지 않을 때도 활성화되어 있었는데, 이는 지속적인 연습과 학습 상태에 있음을 시사합니다. 더 무거운 현미경을 가진 기존 방식으로는 작은 동물에게 부담을 주어 불가능했던 이 수준의 상세한 관찰이 가능해진 것입니다.
이 프로젝트의 성공은 뇌과학 도구에 있어 무게와 크기의 제한이 극복 불가능한 것이 아님을 입증합니다. 혁신적으로 재설계된 현미경과 영리한 광학 액세서리를 결합함으로써, 연구진은 뇌가 작동하는 방식을 관찰하는 새로운 방법을 제시했습니다. 그들은 뇌의 복잡한 행동이 멀리 떨어져 있거나 인접한 영역들 사이의 역동적이고 조율된 대화로부터 발생한다는 것을 보여주었으며, 이제 그 대화는 동물이 자신의 세계를 자유롭게 움직이는 동안에도 관찰될 수 있습니다. 이 접근법은 과학자들이 이해하고자 하는 자연스러운 행동을 방해하지 않으면서도, 신경 회로가 어떻게 발달하고, 학습하며, 기능이 저하되는지를 이해하기 위한 강력한 새로운 렌즈를 제공합니다.
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