다트머스 대학

과제

간질 및 기타 유전적으로 관련된 신경계 질환의 치료는 다트머스 대학의 Michael Hoppa 교수의 연구실에서 기초 연구의 이점을 얻을 수 있습니다. 이러한 장애는 뇌를 구성하고 있는 복잡한 뉴런 네트워크에서 잘못된 신호 전달(시냅스 기능 장애)과 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다. 그는 "우리는 유전적 장애가 모든 뉴런에 대한 기본 신호 메커니즘인 활동 전위(AP) 및 관련 화학 물질 방출에 어떻게 영향을 미치는지 연구하고 있습니다. 우리는 미크론 이하의 공간 분해능과 밀리초 미만의 시간 분해능으로 이에 대한 자세한 조사를 수행하고 있습니다."라고 말합니다. 공간 분해능을 사용하면 작은(직경 200nm 이하) 축색 돌기뿐만 아니라 다른 하위 세포 구성 요소에서도 AP 이벤트를 추적할 수 있습니다. 그들은 자신들의 통찰력이 개선된 치료와 결과로 이어질 수 있기를 바라고 있습니다. 

Michael은 그의 그룹이 광유전학 및 정량적 형광 현미경과 함께 생리학 및 약리학뿐만 아니라 이러한 장애에 대한 유전자를 조작하기 위해 분자 생물학을 이용한다고 설명합니다. 중요한 도구는 로돕신 유형의 형광 전압 표시기를 사용하여 칼슘 형광과 같은 느린 2차 신호를 따르지 않고 기본 신호(AP)를 직접 표적으로 삼는 것입니다. 데이터의 품질은 작업에 사용되는 지표 및 기타 프로브의 여기 및 이미징에 사용되는 레이저의 성능에 크게 좌우됩니다. 연구에서 다양한 프로브를 선택적으로 여기하기 위해 여러 레이저 파장이 필요합니다. Michael은 "우리는 항상 신호 대 잡음비, 즉 광자를 쫓고 있는데, 이는 특정 프로브 밝기에 따라 50~150밀리와트가 필요함을 의미합니다."라고 덧붙였습니다.

솔루션

이 작업을 시작할 때 Michael은 150mW 전력을 가진 637nm 레이저가 필요했습니다. 그는 Coherent OBIS를 선택하기 전에 여러 레이저를 조사했는데, Coherent OBIS를 선택한 여러 이유에 대해 다음과 같이 언급했습니다. "우리 작업의 많은 부분에서 중요한 요구 사항은 고속 아날로그 변조와 매우 안정적인 출력 특성을 가진 레이저입니다. OBIS 레이저는 탐지할 수 없는 지연 시간과 펄스 동안 완전히 안정적인 전력을 제공한 유일한 레이저였습니다." 그는 전압 표시기가 불과 수백 마이크로초의 빠른 응답을 갖기 때문에 이것이 필요했다고 설명합니다. 따라서 그의 팀은 이 시간적 해상도를 활용하고 AP가 어떻게 형성되는지에 대한 시간적 세부 사항을 확인하기 위해 빠른 상승 및 하강 시간으로 빠른 변조가 필요하며, 이는 상당히 중요한 것으로 밝혀졌습니다. 그리고 중요한 것은 짧은(예: 400 µs) 사각 펄스는 절제된 살아 있는 뉴런이 노출되는 총 빛의 양을 최소화합니다. (그는 그들의 연구에서 초기에 놀라운 사실은 포유류의 대뇌 뉴런이 어떤 종류의 지속적인 빛 노출에 노출되었을 때 얼마나 빨리 죽는가 하는 것이었다고 말합니다. 물론, 그들은 보통 두개골 내부의 완전한 어둠 속에서 삽니다.)

뉴런 자극은 종종 작은 백금 전극으로 시작됩니다. 그리고 2017년부터 이 그룹은 광학 방법과 패치 클램프 기술을 결합하여 데이터에 또 다른 차원을 추가했습니다. 그룹은 이제 가시 스펙트럼의 대부분에 걸쳐 12개의 OBIS 레이저를 보유하고 있습니다. 여러 OBIS 레이저의 출력이 현미경의 업스트림에서 어떻게 결합되는지는 이 그룹이 만든 Game of Photons라는 멋진 비디오에서 볼 수 있습니다. 작동은 터치스크린과 단일 보드를 통해 간단하게 수행되며, 최대 2000개의 이미지/초의 모든 실험 타이밍을 제어하는 Arduino 칩의 펄스에 의해 트리거됩니다. Michael은 또한 성능 문제가 전혀 없는 7년이 넘은 레이저 중 몇 개를 사용하여 이러한 레이저의 우수한 신뢰성을 언급합니다. 

결과

Hoppa 그룹은 이러한 기술을 기반으로 하는 수많은 논문을 발표했으며, 방법 및 프로브 자체의 발전뿐만 아니라 여러 전압 개폐 이온 채널의 역할에 대한 새로운 세부 사항을 해명했습니다. Michael은 "나는 우리가 뇌의 정보 흐름을 제어하기 위해 축색 돌기와 시냅스에서 이온 채널과 결합 파트너에 대한 조직, 기능 및 치료 가능성을 확인하는 데 상당한 진전을 이뤘다고 믿습니다."라고 말했습니다. 그의 연구 그룹은 계속 성장하고 있습니다. 그들은 현재 대학원생과 박사후 연구원을 모집하고 있습니다. 원동력은 분명히 Michael의 과학에 대한 전염성 있는 열정입니다. "놀이터에 대한 나의 아이디어에는 많은 레이저, 백금 전극, 수많은 뉴런과 신경교, 그리고 풍부한 형광 단백질이 있습니다." 우리는 그가 잠재적으로 중요한 치료 효과가 있는 분야를 선택해서 기쁘고 그가 재미있는 놀이터의 일부로 우리의 레이저를 선택하게 되어 기쁩니다. 

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