자유행동 중 뇌 세포 활성을 영상화 -선충관찰

[짧은뉴스]


자유행동 꼬마선충의 뇌 전체 대상 영상화

특정 행동을 만드는 신경회로 찾는데 도움

00brainvisual3.jpg » 예쁜꼬마선충이 자유행동을 할 때 뇌에서 일어나는 신경세포 활성의 영상. 이 그림을 클릭하면 동영상이 있는 사이트로 이동합니다.


난해 5월, 살아 있는 동물 예쁜꼬마선충이 몸을 움직일 때 온몸의 신경세포들이 시시각각 어떻게 활성화하는지를 관찰해 영상화한 기법이 주목을 받은 바 있다. 선충이 몸을 움직일 때마다 온몸에서 반짝이는 개별 신경세포들의 집단적인 활성은 신비함을 자아낼 만했다 (사이언스온 관련 기사).


이번엔 이 동물이 아무런 제약 없이 자유롭게 몸을 움직일 때 뇌 전체에서 일어나는 신경세포 활성을 영상화하는 기법이 다른 연구진에 의해 시도돼 발표됐다. 기본 원리는 대체로 비슷한데, 이런 신경세포 활성의 실시간 시각화 기법들은 개별 세포가 아니라 집단적이고 복잡한 시스템 차원에서 신경계 활성이 어떻게 일어나는지를 이해하려는 연구 흐름의 하나로 풀이된다.


00brainvisual1.jpg » 출처 / arXiv.org 미국 프린스턴대학의 제프리 응구엔(Jeffrey Nguyen) 연구진은 최근 비교적 투명한 몸을 지녀 몸안을 직접 관찰할 수 있는 모델동물인 예쁜꼬마선충이 자유행동을 하는 동안에 이 동물 뇌를 쫓아가면서 촬영하는 방식으로, 행동과 신경세포를 동시에 관찰하는 기법을 개발했다고 발표했다(오른쪽 그림). 연구진은 이 논문('자유행동 예쁜꼬마선충에 나타난, 세포해상도 수준의 뇌 전체 칼슘 영상화')을 물리 중심의 공개학술 데이터베이스인 ‘아카이브(arXiv.org)’에 공개했다.

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신경망 시각화 기법: 사이언스온 관련 기사


논문과 관련 보도를 보면, 신경세포 활성을 관찰할 수 있게 만드는 데에는 이른바 칼슘-형광 영상 기법을 사용했다. 신경세포는 세포 내에 칼슘이온 농도가 높아질 때 활성을 띠는데 이때에 칼슘과 결합해 형광을 내는 특정한 단백질이 발현되도록 예쁜꼬마선충의 유전자를 변형했다. 형광을 관찰하면 활성화한 신경세포를 식별할 수 있는 셈이다. 또한 연구진은 선충이 자유행동을 할 때 그 머리 부분이 현미경의 시야 밖으로 벗어나지 않게 하기 위해서 선충이 놓은 판의 위치를 자동 조절하는 장치를 덧붙였다. 예쁜꼬마선충는 302개 신경세포로 이뤄진 신경계가 이미 파악되어 있기 때문에 동물 행동과 신경계에 관한 기초 연구에 자주 쓰이는 대표적 실험동물 중 하나로 꼽히고 있다. 이번 실험에선 뇌의 78개 신경세포가 추적 대상으로 다뤄졌다.


연구진은 “78개 신경세포에서 칼슘 변동을 관찰”했으며, 공초점 현미경과 2대의 카메라를 써서 1초당 200프레임 속도로 촬영했다. 해상도는 개별 세포를 식별할 수 있는 정도이며 신경세포의 3차원 위치를 파악할 수 있다고 한다. 연구진은 이런 시도가 동물의 행동을 '코딩'하는 신경망, 신경회로를 연구하는 데 도움이 될 것으로 기대했으나, 뇌 신경세포가 몸의 신경세포와 어떻게 연결되는지를 보여주지는 못한다는 한계는 여전히 지니고 있다. 이번 연구에선 “신경세포의 3차원 위치를 이미 알려진 신경지도(atlas)와 비교한 결과, 우리 결과는 이전의 단일 신경세포 연구결과와 일치했으며 행동 회로에 상응하는 새로운 신경세포 후보들의 존재를 보여주었다”고 연구진은 논문에서 밝혔다.


  ■ 논문 초록

깨어 있는 상태로 행동의 제약을 받지 않는 동물의 신경세포 활성을 큰 규모로 기록할 수 있게 되면서 동물 행동의 신경암호(neural coding) 연구를 위한 큰 도전과제가 생겨난다. 우리는 자유행동을 하는 예쁜꼬마선충의 머리에 있는 모든 뉴런들에서 나오는 세포내 칼슘 변동(calcium transients)을 세포가 식별되는 해상도로 기록하는 새로운 도구를 제시한다. 이 도구는 해당 동물의 위치와 몸짓, 운동을 동시에 기록할 수 있다. 우리는 회전디스크 공초점 현미경(spinning-disk confocal microscopy)을 이용해 칼슘 지시자 GCaMP6s를 발현하는 신경세포의 3차원의 형광 영상을 …갈무리했다. 2대의 카메라가 동물의 위치와 정향을 동시에 모니터링했다. 맞춤형 소프트웨어는 동물 머리의 3차원 위치를 실시간 추적하며 동물이 자유 배회를 하는 동안에 그것이 시야 안에 들어오도록 자동동력을 갖춘 스테이지를 조절한다. 우리는 78개 신경세포에서 칼슘 변동을 관찰했으며 이런 활성을 동물 행동과 상관관계가 있음을 보았다. 여러 선충들에서, 복수의 신경세포들이 전진, 후진, 회전 운동에 상응하는 행동 모드들과 눈에 띄게 상관관계가 있음을 보여준다. 이런 신경세포의 3차원 위치를 이미 알려진 신경지도(atlas)와 비교한 결과, 우리 결과는 이전의 단일 신경세포 연구결과와 일치했으며 행동 회로에 상응하는 새로운 신경세포 후보들의 존재를 보여주었다.

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr     

@한겨레 과학웹진 사이언스온     



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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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