인간의 두뇌에는 무려 1,000억 개의 뉴런이 있으며,* 이 뉴런들이 어떻게 함께 작용하여 우리라는 생각하는 존재를 만드는 것인지 우리가 아직 이해하지 못하고 있는 것이 너무나 많습니다. 신경과학자들은 뇌가 어떻게 기능하는지, 신경계가 어떻게 발달하는지 그리고 신경학적 질환 및 정신 질환을 어떻게 더 잘 이해하고 치료할 수 있는지에 대한 중대한 질문의 답을 찾고 있습니다.
신경과학 연구자를 위한 필수 도구인 광유전학은 빛에 민감한 단백질을 특정 유형의 뉴런에 코딩하여 빛에 반응하도록 만드는 기술입니다.
이 새로운 방법을 통해 과학자들은 뉴런을 정확하게 켜거나 끌 수 있으며, 학습 및 기억과 같은 필수적인 뇌 과정에서 뉴런의 역할을 밝혀낼 수 있습니다. 이러한 과정은 다양한 질병에 영향을 받을 수 있습니다.
광유전학에서는 연구자들이 옵신을 함유한 뉴런에 빛을 비추면 이러한 세포가 활성화되거나 비활성화되도록 촉발할 수 있습니다. 이러한 변화에는 활동 전위를 통해 뇌의 뉴런이 통신하는 기본적인 방식이 반영됩니다.
전광학적 접근 방식: 신경과학의 격차 해소
활동 전위의 타이밍은 특정 정보를 전달합니다. 광유전학을 통해 이러한 암호화된 정보를 밝혀내고 뇌가 작동하는 방식을 해독할 수 있습니다. 초기 광유전학 실험에서는 광섬유로 전달되는 LED 광을 사용했지만, 이후 광 전달의 정밀도는 광 자극을 위한 3차원 정밀도를 제공하는 레이저, 특히 펨토초 레이저를 사용하여 크게 향상되었습니다.
연구자들은 광유전학과 다광자 이미징을 결합하여 혁신적인 "전광학적 접근 방식"을 개발했습니다. 이는 첫 번째 레이저를 사용하여 특정 뉴런을 자극(또는 침묵)시키고 두 번째 레이저 빔을 사용하여 상호 연결된 다른 뉴런들의 형광 특성적 변화를 감지함으로써 이 뉴런들의 활동을 매핑하는 접근 방식입니다. 이러한 감지는 활동 전위를 포함한 대사 활동의 변화를 이온으로 매핑하기 때문에 형광성 칼슘 이온 표시기를 사용하는 경우가 많습니다.
이전 기술과 비교하여 이 방법은 단일 뉴런 분해능 옵션을 통해 세포 활동에 대한 포괄적이고 상세한 관점을 제공합니다.
또한 기존 전기생리학적 기술의 침입성이나 제한 없이 이러한 작업을 수행합니다.
오늘날 신경과학 연구자들은 동물이 자연스러운 행동을 보일 때 수백 개 세포의 동기화된 활동을 포착할 수 있습니다.
또한 연구자들은 광유전학을 사용하여 동물의 행동 중에 활동 전위를 발화하는 특정 세포의 활동을 방해하여 관찰된 행동에서 해당 세포의 중요성을 확인하는 것을 목표로 합니다.
이들 세포는 동일한 회로에 속함에도 불구하고 뇌의 서로 다른 깊이에 위치할 수 있습니다. 개발된 특수 도구로 광학 설정을 조정하여 이들 세포를 동시에 포착할 수 있습니다.
일반적으로 고도로 분산된 공간 광 변조기는 체적 다광자 광유전학을 위한 여러 레이저 빔렛을 생성하는 데 사용되며, 각 빔렛은 서로 다른 특정 뉴런을 대상으로 합니다. 빛 교란의 효율성은 세포 상태(활성 또는 비활성)를 나타내는 센서의 형광 신호 강도 변화를 모니터링하기 위한 동시 다광자 이미징에 따라 달라집니다.
광유전학을 위한 Coherent Pioneers 솔루션
전광학 다광자 실험에서 가장 자주 사용되는 액추에이터(옵신)와 센서 쌍은 빨간색 옵신(약 1000nm 이상의 파장에 민감한 옵신)과 녹색 표시기(약 900nm 파장에 민감한 옵신)입니다. 이러한 스펙트럼 분리는 광자극과 형광 이미징 프로세스 사이의 잠재적 누화를 최소화합니다.
다광자 현미경을 위한 새로운 형광 프로브를 설계하는 분야는 특히 스펙트럼 조정을 중심으로 지속적으로 발전하고 있습니다. 적색편이광은 조직 내로 더 깊숙이 침투하고 청색편이광보다 에너지가 적으며 광손상을 덜 유발합니다. 이는 옵신이 형광 라벨, 전압 및 칼슘 표시기와 결합되어 누화를 줄이는 경우 특히 유리할 수 있습니다.
복잡한 전광학 실험을 용이하게 하기 위해 Coherent는 다광자 광유전학 및 이미징을 위한 광범위한 펨토초 레이저 포트폴리오를 제공합니다.
전광학 다광자 실험에 뛰어드는 연구자에게는 Coherent 펨토초 레이저가 반드시 필요합니다.
Coherent Monaco LX 및 Coherent Axon 1064와 같은 제품은 단순히 최첨단 기술을 넘어 다양한 연구 요구 사항과 예산 제약을 충족하도록 특별히 설계된 제품입니다.
자사 제품군의 각 레이저는 고유한 기능을 제공하여 연구자가 필요한 정확한 도구를 얻을 수 있도록 보장합니다.
광유전학: 미래를 위한 희망의 등대
광유전학의 지평은 점점 더 넓어지고 있습니다. 광유전학은 의료 분야에서 간질, 파킨슨병, 심지어 우울증과 같은 쇠약한 상태에 대한 표적 치료법으로 발전할 수 있으며,
의학을 넘어 뇌-컴퓨터 인터페이스와 신경보철학에 혁신을 가져올 수 있습니다. 그렇게 되면 마비나 기타 신경 질환이 있는 사람들의 삶을 변화시켜 세상과 상호 작용할 수 있는 새로운 방법을 제공할 수 있습니다.
광유전학을 위한 Coherent 솔루션에 대해 자세히 알아보십시오.
