뇌 신경세포·산소 공급 동시 관찰…세계 최초 현미경 기술 개발

미국 연구진이 뇌 신경세포의 활동과 산소 공급을 세포 단위에서 동시에 관찰하는 현미경 기술을 세계 최초로 개발했다.

11일(현지시간) 애저라이프사이언스에 따르면 미국 세인트루이스 워싱턴대학 송 후 교수 연구팀은 이광자현미경(TPM)과 광음향현미경(PAM)을 결합한 'TPM-PAM' 플랫폼을 구축하고, 깨어 있는 쥐의 뇌에서 단일 신경세포의 칼슘 활동과 개별 적혈구의 산소 방출을 동시에 기록하는 데 성공했다.

연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스에 게재됐다.

뇌 기능은 혈관과 긴밀하게 연결돼 있다. 생각하는 행위 자체가 에너지를 소모하지만, 기존에는 산소 공급 과정을 세포 수준에서 들여다볼 방법이 없었다.

후 교수는 "신경세포 활동이 산소를 어떻게 소모하고 혈관이 수요에 맞춰 역학을 어떻게 바꾸는지 이해하려면 둘을 함께 관찰하는 것이 중요하다"고 말했다.

TPM은 형광 탐침으로 빛나는 신경세포 활동을, PAM은 빛이 만든 음파로 혈류와 산소포화도를 각각 측정한다. 두 기법을 단일세포 해상도로 결합한 것은 이번이 처음이라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 쥐의 수염을 자극하면서 신경세포의 칼슘 활동과 혈중 산소 전달 변화를 추적했다. 또 집속 레이저 펄스로 모세혈관 하나를 막거나 신경세포 하나를 자극한 뒤 주변 신경세포와 적혈구의 변화를 관찰했다.

이를 통해 단순한 상관관계 관찰을 넘어 인과관계를 규명할 수 있게 됐다고 연구팀은 밝혔다.

기술적 난제는 노스웨스턴대학 공학 연구진과 협력해 해결했다. 기존 PAM의 초음파 검출기는 광 경로를 막거나 이광자 해상도를 떨어뜨리는 문제가 있었다.

연구팀은 유리 위에 고분자 마이크로링 공진기로 만든 광학적으로 투명한 음향 센서를 개발했다. 초음파가 공진기에 닿으면 링이 미세하게 변형되며 광학 공진이 이동해 음향 신호를 빛의 변화로 바꾼다.

투명한 센서 덕분에 TPM의 여기광과 형광이 간섭 없이 통과한다. 후 교수는 "두 영상 기술 중 어느 것도 손상시키지 않는다"고 말했다.

이 플랫폼은 현재 동물 모델에서만 검증됐지만 뇌졸중과 신경퇴행성 질환에서 뇌세포와 미세혈관의 에너지 조절 관계가 어떻게 무너지는지 밝히는 데 활용될 수 있다.

기능적 자기공명영상(fMRI)은 신경세포를 직접 기록하지 않고 혈중 산소포화도와 혈류 변화로 뇌 활동을 간접 추정한다. 후 교수는 "신경혈관 결합을 더 잘 이해하면 이 추정 과정을 더 정확하게 만들 수 있다"고 말했다.