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뉴런의 작동을 실시간으로 볼 수 있는 방법 개발
생명과학 KISTI (2014-05-21 09:39)
연구자들은 처음으로 예쁜꼬마선충 (Caenorhabditis elegans)을 대상으로 살아있는 생명체에서 뉴런의 전기신호 발사장면에 대한 이미지를 촬영하는데 성공했다. 이 연구결과는 학술지인 지에 발표되었으며 실시간으로 신체에서 신호가 어떻게 이동하는지를 볼 수 있게 되었다.
과학자들은 지난 1986년에 이 선충의 뉴런 총 302개 사이의 연결성에 대한 지도를 작성한 바 있다 (White, J. G., Southgate, E., Thomson, J. N. & Brenner, S. 1986). 이것은 처음으로 다른 생물체에서는 시도된 바 없다. 하지만 이 배선도 또는 ‘커넥텀 (connectome)’으로는 연구자들이 특정한 활동으로 이어지는 뉴런경로를 알아낼 수 없다. 연구자들은 시간이 흐른 다음에 선충이 어떤 일이 일어날 수 있는지를 예측할 수 없었다고 비엔나 대학 (University of Vienna)의 신경과학자인 알리파샤 바지리 (Alipasha Vaziri)는 말했다. 실시간으로 3차원으로 뉴런 사이의 신호활동을 보여주는 도구를 제공함으로써 이 새로운 기술을 통해서 과학자들은 두 가지를 모두 성취할 수 있었다.

바지리의 연구팀은 이 예쁜꼬마선충을 공학적으로 조작했다. 그래서 뉴런이 신호를 발사하고 칼슘 이온이 세포막을 통해서 통과할 경우에 뉴런의 빛이 발하게 되었다. 이러한 신호를 잡아내기 위해서 연구자들은 한 세트의 렌즈로부터 얻어진 이미지와 고화상 3차원 이미지를 얻기 위한 알고리즘을 이용한 분석을 결합하는 라이트 필드 디컨볼루션 현미경 (light-field deconvolution microscopy)이라고 불리는 기술을 사용하여 전체 선충의 이미지를 만들었다. 연구자들은 초당 50가지 전체 선충의 이미지를 찍었다. 이를 통해서 뇌와 배쪽 코드 (vental cord)와 꼬리에 뉴런의 신호발사를 볼 수 있게 되었다.

그 다음에 이 연구팀은 이 기술을 제브라피시 (zebrafish, Danio rerio)의 유충에 적용해서 물 안에서 화학물의 냄새에 반응하는 제브라피시의 전체 뇌에 대한 이미지를 찍었다. 이들은 약 5,000개의 뉴런의 활동을 동시에 잡아낼 수 있었다 (제브라피시의 전체 뉴런은 100,000개 정도이다). 미국 버지니아주의 애쉬번 (Ashburn)에 위치한 하워드 휴즈 의학연구소의 자넬리아 농장연구캠퍼스 (Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Farm Research Campus)의 신경생물학자인 미샤 아렌스 (Misha Ahrens)는 “커넥텀과 활동성은 거의 상호보완적이다. 이 두 가지를 관찰하지 않고서는 신경체계에 대한 이해가 불가능하다”고 말했다. 커넥텀 지도와 연관되는 뉴런 사이에서 신호가 이동하는가를 이해하는 것은 개별 세포의 역할을 정확하게 알아낼 수 있게 하는 것이다. 그는 “여기에는 숨겨진 변수는 존재하지 않는다”고 말했다.

지난해에 아렌스의 연구팀은 동물의 조직을 통해 빛을 보내는 방식의 현미경 기술을 이용하여 제브라피시의 뇌활동에 대한 이미지를 그릴 수 있었다(Ahrens, M. B., Orger, M. B., Robson, D. N., Li, J. M. & Keller, P. J. 2013). 이 새로운 기술은 훨씬 빠르다. 즉 이를 통해서 연구자들은 많은 뉴런의 활동을 동시에 담아낼 수는 없지만 초당 100배 정도 많은 이미지를 담아낼 수 있다. 신경생물학자이면서 이번 연구의 공동저자인 MIT의 에드워드 보이든 (Edward Boyden)은 다음 연구는 이 기술을 이용해서 어떻게 뉴런이 특정한 자극에 반응하는가를 알아내고 모델을 만드는 것이라고 밝혔다. 그는 또한 이 기술의 속도를 증진시키고 화상도를 높여서 포유류의 뇌와 같은 좀 더 큰 조직의 이미지를 만들어내는 것이라고 말했다.

출처: <네이처> 2014년 5월 18일 (Nature doi:10.1038/nature.2014.15240)
원문참조:

Prevedel, R. et al. Nature Meth. http://dx.doi.org/10.1038/NMETH.2964 (2014).
White, J. G., Southgate, E., Thomson, J. N. & Brenner, S. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 314, 1?340 (1986).
Ahrens, M. B., Orger, M. B., Robson, D. N., Li, J. M. & Keller, P. J. Nature Meth. 10, 413?420 (2013).

출처 : http://www.nature.com/news/video-reveals-entire-organism-s-neurons-at-work-1.15240
정보제공 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
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