KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-12-27
 
포유류 뇌 속의 신경활동을 다광자 현미경법으로 관찰하면, 연구자들은 개별적인 활성 뉴런들의 위치를 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 뉴런 그룹들이 어떻게 자신들의 활동을 조절하는지를 볼 수도 있다. 그렇지만 다광자 현미경은 크다는 문제가 있다. 이 현미경은 시험용 쥐에 장착하기에는 너무나 크므로, 그 대신 쥐를 현미경에 달아야 한다. 이것은 쥐가 뉴런이 활성화되는 것처럼 움직이지 않는다는 것을 의미한다. “가상현실”, 즉 시험용 쥐 앞에 비디오 스크린을 두는 것이 도움이 될 수도 있지만 한계가 있다.

그래서 막스플랑크생체인공두뇌학연구소(Max Planck Institute for Biological Cybernetics)와 막스플랑크의학연구소(Max Planck Institute for Medical Research)의 과학자들이 쥐에게 묶을 수 있을 정도로 충분히 가벼운 5.5g의 무게를 가지며 시야에 있는 뉴런들이 현미경에 대해 3 μm 이하로 움직일 정도로 견고하게 장착되는 소형 광섬유연결 2광자 현미경을 만들었다. 이 현미경은 쥐가 빠르게 달릴 때에도 쥐의 두뇌에 있는 뉴런들의 영상을 5분 이상 기록할 수 있을 정도로 충분히 안정적이다.

티타늄사파이어 초고속 레이저가 880 또는 925nm의 여기 펄스를 각각 2.4 및 1.6 W의 평균 광전력으로 제공한다. 이 펄스들은 여기용 단일모드 광섬유를 통해 현미경으로 전달된다. 연구진은 구부러졌을 때 어떤 광섬유가 광학적으로 가장 안정적인지를 확인하기 위해 3가지 종류의 단일모드 광섬유들을 시험하였으며, 최종적으로 편광유지 광섬유로 결정했다. 구부림에 둔감한 다른 광섬유들은 구부러졌을 때 출력편광이 변했다. 이 현미경에는 주문 제작된 액침 렌즈가 들어있는데, 개구수는 0.9이고 초점거리는 0.7 mm, 작동거리는 0.7mm이다. 광섬유는 비공진 방식으로 설계된 압전 레버를 통해 스캐닝된다. 비공진 방식은 임의 접근이 가능하며 공진스캐닝 방식보다 훨씬 더 유연한 스캐닝 패턴을 제공한다. 직경이 0.98 mm인 플라스틱 광섬유는 광을 수집하기 위한 광섬유로 쓰인다.

먼저 연구진은 마취된 동물에 대해 현미경을 시험했다. 쥐의 코 바로 앞에 있는 시각적 자극에 대해 반응하는 뉴런영역 바로 위에 헤드마운트 현미경이 놓였다. 대물렌즈를 빠져나온 여기 레이저 광의 평균 광전력은 100~150 mW였다. 초점에서는 약 40~60 mW였으며, 산란거리는 200 μm로 가정했다. 1시간이라는 시간 동안에도 어떠한 세포 손상도 관찰되지 않았다. 쥐 앞에 놓인 움직이는 격자 영상은 예상했던 대로 쥐의 뉴런반응을 불러일으켰다. 그 다음에는 완전히 깨어있고 자유로운 쥐로 현미경을 시험했다. 4시간이 넘는 시험에서조차도, 쥐는 정상적으로 돌아다니는 것처럼 보였으며, 달리고, 파고, 먹고, 달려드는 등의 쥐가 하는 행동을 했다. 이 쥐들의 달리는 속도와 가속은 물론 그 습성조차도 머리에 현미경을 장착하지 않은 쥐와 비슷했다.

뉴런 영상은 뉴런뿐만 아니라 성상세포(astrocytes)의 활동까지도 추적했다. 성상세포는 두뇌의 활동에 적극적으로 참여하는 것으로 여겨지고 있으며, 현재 집중적으로 연구되고 있다. 반원형의 트랙을 따라서 움직이는 쥐를 감시하고, 쥐의 시선 변화와 그와 동시에 찍은 자극유발 뉴런활동 사이의 관계에 대한 연구와 같은 부수적인 실험들도 수행되었다. 때때로 쥐가 머리를 심하게 흔들 때와 같은 경우(약 2% 정도의 시간)에는 영상이 불안정했다. 그럼에도 불구하고 연구진은 사회적 상호작용, 먹이 포획, 그리고 균형을 감지하는 전정계(vestibular system)를 이용하는 것과 같은 복잡한 일을 하는 동안의 두뇌 작용을 감시하는데 이 소형 현미경이 특히 유용할 것으로 예상하고 있다.

* 그림 : 동물의 활동을 제한하지 않으면서 장착될 정도로 충분히 작은 소형 2광자 현미경 
 
 
 
출처 : http://www.laserfocusworld.com/display_article/371314/12/none/none/News/MULTIPHOTON-MICROSCOPY:-Miniature-microscope-images-active-neuron