| 차세대 고속 고해상도 초소형화 이광자 형광현미경 개발 | ||
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 최근, 베이징대와 중국인민해방군 군사의학과학원이 공동으로 설립한 학제 간 융합 연구팀은 차세대 고속 고해상도 초소형화 이광자 형광현미경을 성공적으로 개발하였는데 무게는 2.2g 미만이다. 연구팀은 해당 현미경을 사용하여 자유로운 행위과정에서의 생쥐 대뇌 뉴런 및 신경시냅스 활동과 관련한 뚜렷하고 안정적인 영상을 획득하였다. 관련된 논문은 ‘Nature’ 자매지 ‘Nature Methods’의 2017년 5월 29일자 온라인 버전에 게재되었다. 동 현미경은 부피가 작고 무게가 가벼워 소형동물의 두개골 윈도(Cranial Window)에 착용시켜 수십 개 뉴런 및 수천 개 신경시냅스의 동적 신호를 실시간으로 기록하는데 적합하다. 대형동물에 적용시 다수 탐침 및 다수 두개골 윈도를 통한 다양한 뇌영역 장시간 관측을 달성할 수 있다. 단광자 여기에 비해 이광자 여기는 광학 단층이 더 우수하고 생물조직을 더 깊이 투과하는 등 장점을 보유하고 있으며 횡방향 해상도를 0.65μm에 도달시킬 수 있다. 동 현미경의 영상 품질은 상품화 대형 테이블식 이광자 형광현미경 수준에 도달하였고 현재 동일 영역에서 선도적 지위에 있는 미국뇌과학계획 핵심연구팀이 개발한 초소형화 광시야 현미경을 훨씬 초과하였다. 뿐만 아니라 2중 축대칭 고속 MEMS(초소형 전자 기계 시스템) 회전거울 스캐닝 기술을 사용하여 영상 프레임률을 40Hz(256×256화소)에 도달시켰다. 아울러 다영역 랜덤 스캔 및 초당 1만 라인에 달하는 선형 주사 능력을 보유하였다. 이외, 자체적으로 설계한 920nm 펨토초 레이저 전송이 가능한 광자결정 광섬유를 사용하였다. 이로 말미암아 초소형 이광자 현미경을 사용한 뇌과학 분야의 연구에서 GCaMP6과 같이 가장 광범위하게 응용하는 뉴런 활동 표시성 형광탐침의 효과적 이용을 최초로 달성하였다. 또한 유연성 광섬유 케이블을 사용하여 형광신호를 수집함으로써 동물이 활동하고 행동하는 과정에 형광 전송 케이블 견인에 따른 간섭 문제를 해결하였다. 향후, 광유전학(optogenetics) 기술을 결합시켜 구조 및 기능적 이미징, 뉴런 및 신경회로 활동에 대한 정확한 제어를 달성할 수 있다. 초소형화 이광자 형광현미경 이미징 기술은 자유롭게 활동하는 동물에 대한 세포 및 아세포 구조 관찰 방식을 바꾸었다. 따라서 동물의 섭식, 포유, 점프, 싸움, 장난, 수면 등 자연적 행동 상황 또는 학습전, 학습중, 학습후 조건에서 신경시냅스, 뉴런, 신경망, 원거리 연결 뇌영역 등에 대한 다중 규모, 다중 차원의 동적 변화 장시간 관찰에 사용할 수 있다. 해당 성과는 2016년 말 미국 신경과학연회, 2017년 5월의 콜드스프링하버 아시아뇌과학심포지엄에서 다수 노벨상 수상자를 포함한 국내외 신경과학자로부터 ‘동 현미경은 어떠한 표준에서나 할 것 없이 대표적 기술 발명을 이룩하였고 그 영향은 심지어 뉴런 및 수상돌기에 대한 이미징을 초과한다. 시스템신경생물학은 바야흐로 새 시대에 진입하고 있는바 세포그룹에서 식별 가능한 세포와 아세포 구조 관련 복잡계 생물학 사건에 대한 영상 관측을 통해 진화된 대뇌 회로가 복잡 행동을 실시하는 핵심적 공학 원리를 더 깊이 이해해야 하는 과제를 안고 있다. 해당 발견은 그 목표 달성을 위해 한걸음 다가섰다’는 평가를 받았다. 현재, 연구팀은 ‘다중모드 범규모 생물의학 이미징’－‘13차 5개년’ 국가 주요 과학기술 인프라 구축을 이끌고 있다. 또한 곧 가동될 중국뇌과학계획에 참여하게 된다. 초소형화 이광자 형광현미경 이미징 시스템은 ‘뇌 분석·이해·모방’의 전략적 목표 달성을 위해 필수적인 역할을 수행할 전망이다. 정보출처 : http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/5/377866.shtm |
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