A transparent miniscope-integrated ultrasound platform enables concurrent focused neuromodulation and wide-field imaging in freely moving mice
본 논문은 새로운 광학 투명 트랜스듀서 및 렌즈 시스템을 활용하여, 자유롭게 움직이는 마우스에서 초점 초음파 신경 조절과 광역 칼슘 이미징을 동시에 가능하게 하는 오픈 소스 기반의 투명한 미니스코 통합 플랫폼인 SonoMod을 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
뇌를 이해하기 위해 과학자들은 종종 두 가지 일을 동시에 수행해야 합니다. 즉, 신경 회로의 특정 부분을 부드럽게 자극하여 어떻게 반응하는지 확인하는 동시에, 그에 반응하여 전체 네트워크가 어떻게 밝아지는지를 관찰해야 합니다. 수십 년 동안 이 두 가지 과업을 살아 움직이는 동물에게 결합하는 것은 매우 어려웠습니다. 초음파와 같은 뇌 자극 도구들은 전통적으로 부피가 크고 불투명하여 카메라가 뇌의 활동을 관찰하는 데 필요한 시야를 가로막았습니다. 반대로, 뉴런이 발화하는 것을 관찰하는 데 사용되는 아주 작은 카메라들은 대개 동물이 움직이지 않고 머리가 고정된 상태를 요구하며, 이는 자연스러운 행동 연구를 방해합니다. 이는 지식의 공백을 만들어, 동물이 자유롭게 움직이고 탐색하며 세상과 상호작용할 때 뇌의 복잡한 회로가 실시간으로 어떻게 변화하는지 연구할 수 없게 만들었습니다.
이제 한 연구팀이 움직이는 쥐에서 자극과 관찰을 동시에 가능하게 하는 장치를 개발함으로써 이 간극을 메웠습니다. 그들은 소형 카메라와 특수 초음파 발생기를 결합한 가볍고 투명한 헤드셋을 제작했습니다. '소노모드(SonoMod)'라고 명명된 이 장치는 쥐의 머리 위에 작은 배낭처럼 놓입니다. 이 장치는 소리 파동을 사용하여 뇌의 특정 영역을 부드럽게 자극하는 동시에, 카메라가 동일한 투명 창을 통해 뇌 표면 전체의 활동을 기록하도록 합니다. 이 혁신의 핵심은 소리를 생성하는 부분을 투명하게 만들어, 카메라가 시야를 놓치지 않도록 빛이 소리만큼이나 쉽게 통과할 수 있게 만든 점에 있습니다.
이 발명품의 핵심은 투명 초음파 트랜스듀서인데, 이는 소리 파동을 생성하지만 일반적인 금속이나 세라믹 대신 투명한 결정 재료로 만들어진 디스크입니다. 연구진은 이 디스크 앞면에 맞춤 제작된 렌즈를 부착하여 소리 파동을 뇌 내부의 정밀한 지점에 집중시켰습니다. 이 렌즈는 매우 얇고 투명하여 카메라의 이미지를 흐리게 하지 않습니다. 연구진은 첨단 3D 프린팅 기술을 사용하여 렌즈를 미세한 정밀도로 성형하였으며, 이를 통해 빛이 통과할 때 이미지를 왜곡하지 않으면서도 소리 파동을 좁은 빔으로 굴절시키는 패턴을 표면에 구현했습니다. 또한, 렌즈와 쥐의 두개골 사이의 간극을 빛과 소리가 모두 전달되는 방식과 일치하는 특수 오일로 채워, 이미지나 소리가 산란되거나 손실되지 않도록 했습니다.
전체 조립품은 모듈식이며 교체가 가능하도록 설계되었습니다. 연구진은 렌즈의 여러 버전을 만들어 새로운 장치를 구축할 필요 없이 서로 빠르게 교체하여 뇌의 서로 다른 영역을 목표로 할 수 있게 했습니다. 한 버전의 렌자는 운동 계획과 관련된 영역인 이차 운동 피질(secondary motor cortex)에 소리를 집중시키고, 다른 버전은 기억 및 항법에 중요한 retorsplenial cortex(대상피질)를 목표로 합니다. 이 장치는 매우 작아서 쥐에게 약 3.2그램 정도의 무게만 더할 뿐이며, 동물은 자연스러운 행동을 바꾸지 않고도 이 무게를 쉽게 감당할 수 있습니다. 또한 이 장치는 신경과학 분야에서 널리 사용되는 표준 오픈 소스 카메라 시스템과 연결되어, 특수한 고가 장비 없이도 다른 실험실에서 이 기술을 쉽게 접할 수 있게 합니다.
테스트에서 연구진은 깨어 있고 자유롭게 움직이는 쥐에게 이 장치를 장착했습니다. 먼저 연구진은 카메라가 투명 렌즈를 통해 선명하게 볼 수 있는지 확인하여, 뇌 표면의 거의 전체를 커버하며 혈관과 뇌 활동의 상세한 이미지를 포착하는 것을 확인했습니다. 그 다음, 이 장치를 사용하여 특정 목표물에 집중된 초음파를 전달했습니다. 운동 피질을 자극했을 때, 카메라는 즉시 해당 영역에서 활동의 급증을 기록하는 동시에 다른 뇌 부위는 평온한 상태를 유지했습니다. 이는 소리가 뇌 전체를 우연히 자극하는 것이 아니라 의도한 목표만을 정확히 타격했음을 입증했습니다.
또한 이 연구는 뇌의 양측이 어떻게 통신하는지를 밝혀냈습니다. 연구진이 한쪽 운동 피질을 자극했을 때, 카메라는 0.몇 초 후에 뇌의 반대편에 있는 동일한 영역으로 신호가 전달되는 것을 감지했습니다. 이러한 광시야(wide-field) 뷰는 한 번에 아주 작은 지점만을 관찰하는 기존의 단일 지점 기록 방식으로는 포착할 수 없는 것입니다. 연구진은 또한 장치의 안전성을 확인하기 위해 소리 파동에 의한 온도 상승을 측정하였으며, 뇌 조직에 해를 끼칠 수준보다 훨씬 낮은 무시할 만한 수준임을 확인했습니다.
집중 자극과 광각 뷰를 자유롭게 움직이는 동물에서 결합함으로써, 이 새로운 플랫폼은 실제 삶 속에서 신경 회로가 어떻게 작동하는지 연구하는 강력한 방법을 제공합니다. 이를 통해 과학자들은 동물이 가장 잘하는 일, 즉 움직이고 탐색하는 동안 특정 뇌 영역이 행동에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 신호가 뇌의 서로 다른 부분 사이를 어떻게 이동하는지에 대한 질문을 던질 수 있습니다. 연구진은 이 장치의 설계를 공개하여, 이 개방적인 접근 방식이 다른 이들이 자신의 연구를 바탕으로 뇌의 신비를 더욱 밝혀내는 데 도움이 되기를 희망하고 있습니다.
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