Combining ultra-flexible electrodes with two-photon imaging to illuminate brain-wide neural dynamics
이 논문은 만성적으로 이식된 초유연 전극과 이광자 칼슘 이미징을 결합한 접근 방식을 사용하여 생쥐의 피질하 및 피질 신경 활동을 동시에 기록함으로써, 느린 뇌 상태와 빠른 리플 이벤트 전반에 걸친 뇌 전체의 역동성을 조사할 수 있게 하는 방법을 제시한다.
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 잠들지 않는 거대하고 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 이 도시가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 과학자들은 서로 다른 동네에서 일어나는 대화에 귀를 기울여야 합니다. 오랫동안 연구자들에게는 도청할 수 있는 두 가지 주요 방법이 있었습니다. 한 가지 방법은 특정 길모퉁이에 초고속 하이테크 마이크를 설치하는 것과 같았습니다. 이 마이크는 놀라운 속도로 모든 단어(개별 신경 세포의 스파이크)를 들을 수 있었지만, 경직되어 있었고 한 번에 아주 작은 구역만 들을 수 있었습니다. 다른 방법은 도시 전체를 위에서 내려다보는 거대한 슬로 모션 드론 카메라를 사용하는 것과 같았습니다. 이 카메라는 교통 흐름과 전체 구역의 분위기(세포 집단)를 파악할 수 있었고, 심지어 누가 어떤 종류의 차를 운전하고 있는지(특정 세포 유형)까지 식별할 수 있었지만, 개별적인 단어들이 말해지는 소리는 들을 수 없었습니다.
큰 문제는 이 두 도구가 서로 잘 어울리지 않았다는 점이었습니다. 경직된 마이크는 너무 부피가 커서 드론의 시야를 가릴 수 있었고, 드론의 밝은 조명이 비칠 때 종종 '정전기'나 간섭 현상을 만들어냈습니다. 즉, 과학자들은 선택을 해야 했습니다. 깊은 곳의 빠르고 상세한 대화를 들을 것인지, 아니면 표면의 느리고 거시적인 분위기를 관찰할 것인지, 두 가지를 동시에 수행하는 것은 거의 불了했습니다. 뇌의 깊고 숨겨진 부분이 표면 부분과 어떻게 대화하는지를 이해하는 것은 우리가 어떻게 학습하고 기억하는지, 그리고 왜 우리의 뇌가 때때로 병들게 되는지를 알아내는 데 매우 중요합니다.
이 연구에서 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 완전히 새로운 도구를 만들었습니다. 그들은 "초유연성 촉수 전극(Ultra-flexible tentacle electrodes, UFTEs)"을 제작했는데, 이는 특수 소재로 만든 믿을 수 없을 정도로 가늘고 부드러우며 휘어지는 줄과 같습니다. 이것을 생각해보면, 물을 방해하지 않고 뇌의 깊고 어두운 터널 속으로 부드럽게 내려보낼 수 있는 유령처럼 투명하고 보이지 않는 낚싯줄과 같습니다. 이 전극들은 매우 부드럽고 가늘기 때문에 드론 카메라의 시야를 가리지 않으며, 카메라의 밝은 빛이 녹음 시 정전기 소음을 만들지 않을 정도로 조용합니다.
연구진은 이 새로운 설정을 깨어 있고 움직이는 생쥐를 대상으로 테스트했습니다. 그들은 뇌 깊숙한 곳에 이 유연한 줄을 심어 시상(중계 스테이션), 해마(기억 센터), 그리고 피질(사고가 일어나는 외곽 층)의 신호를 들었습니다. 동시에, 그들은 이봉 광자 현미경(드론 카메라)을 사용하여 활동할 때 빛을 내도록 유전적으로 변형된 외곽 층의 뉴런들을 관찰했습니다.
결과는 인상적이었습니다. 유연한 줄은 몇 주 동안 제 자리에 머물러 있었고, 덕분에 연구팀은 동일한 개별 신경 세포를 반복해서 추적할 수 있었습니다. 그들은 이 줄이 현미경의 빛으로부터 거의 간섭을 일으키지 않는다는 것을 발견했습니다. "정전기"는 실제 뇌 신호에 비해 약 3.7 마이크로볼트로 매우 미미하여 사실상 보이지 않는 수준이었습니다. 이를 통해 연구진은 이전에는 결코 할 수 없었던 방식으로 뇌를 볼 수 있었습니다. 즉, 깊은 뇌 세포들의 빠르고 정밀한 수다를 들으면서 동시에 표면 세포들의 빛나는 슬로 모션 춤을 관찰할 수 있었던 것입니다.
이 결합된 시야를 사용하여, 연구팀은 생쥐가 무엇을 하고 있는지에 따라 뇌의 서로 다른 부분들이 어떻게 대화하는지를 발견했습니다. 생쥐가 달리고 있거나 경계 태세를 갖추고 있을 때, 깊은 뇌 영역과 표면 영역은 마치 지휘자가 오케스트라를 이끄는 것처럼 특정한 저차원적인 방식으로 동기화되는 듯 보였습니다. 그러나 생쥐가 휴식을 취할 때는 대화의 양상이 바뀌었습니다. 또한 그들은 "리플(ripples, 파동)"을 조사했는데, 이는 기억 센터에서 발생하는 매우 빠른 활동의 분출입니다. 그들은 이 리플 동안 기억 센터는 흥분 상태가 되지만, 중계 스테이션과 표면은 종종 조용해진다는 것을 발견했습니다. 흥미롭게도, 리플 동안 조용해진 세포들은 생쥐가 달릴 때 흥분했던 바로 그 세포들이었습니다.
이 연구가 뇌의 모든 미스터리를 해결했다고 주장하는 것은 아닙니다. 다만, 이 두 가지 강력한 듣기와 보는 도구를 결합함으로써, 우리는 마침내 깊은 부분과 얕은 부분이 어떻게 하나의 팀으로서 함께 작동하는지 볼 수 있다는 점을 시사합니다. 연구진은 이 새로운 방법이 안정적이고 신뢰할 수 있으며, 기존의 소음과 혼란 없이 학습이나 질병 과정에서 뇌 전체의 네트워크가 어떻게 변화하는지를 연구할 수 있는 문을 열어주었다는 것을 보여주었습니다.
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