광유전학 - 빛을 이용한 세포 및 동물 제어

300여 년 전 루이지 갈바니는 개구리 다리에 전기를 가하면 다리가 경련을 일으킨다는 사실을 발견했습니다. 이것은 뉴런이라고 부르는 신경 세포가 전기 펄스를 생성하고 각 뉴런의 길이를 따라 이동하기 때문입니다. 이러한 전기적 펄스를 "활동 전위"라고 부릅니다.

과학자들은 오랫동안 작은 전극들을 이용해서 전기적 펄스를 가하고 강제로 명령을 수행하는 방법을 연구해왔습니다. 과학자들은 이를 이용해서 뉴런이 서로 연결된 방식을 조사하고 뇌의 어느 부분이 신체의 각 부분을 제어하는지 확인했습니다.

하지만 뇌는 신체 활동을 제어하는 것 이상의 많은 일을 수행합니다. 뇌는 인간의 생각과 기억을 관장하고 눈이나 귀와 같은 감각 기관으로부터 들어오는 모든 신호를 처리합니다. 약 25년 전까지만 해도 이름을 기억하거나 친구 얼굴을 인식하는 등의 일상적인 활동이 뇌에서 어떻게 수행되는지에 대해 알려진 것이 많지 않았습니다.

하지만 지금은 상황이 매우 빠르게 바뀌고 있습니다. 과학자들은 동물의 뇌를 연구하기 위해 모든 종류의 도구 및 기법들을 활용합니다. 특히 쥐는 인간과 비슷한 기본적인 뇌 구조를 갖는 포유류이기 때문에 일반적인 실험 대상으로 사용됩니다.

광유전학을 통한 신경 과학 지원

광유전학은 신경 과학 분야에서 가장 최근에 활용되고 있는 방법입니다. 광유전학은 전극 대신 빛을 사용하여 신경을 움직입니다. 이를 위해 과학자들은 옵신이라고 부르는 특정 종류의 단백질 분자를 사용합니다. 이러한 분자는 빛이 닿았을 때 반응하는 단백질입니다.

2005년 신경과학자 칼 다이서로스와 에드 보이든은 동료 연구원들과 함께 쥐를 포함한 동물들을 유전적으로 조작하여 옵신을 사용해서 빛 자극에 민감하게 반응하는 신경 세포를 개발할 수 있음을 보여주었습니다. 게다가 이 연구진은 특정 종류의 옵신을 "표현"하는 신경 세포 종류를 정확하게 선택할 수 있을 정도로 유전 공학을 정밀하게 조작할 수 있었습니다.

그리고 이와 같은 방식으로, 이제는 물리적으로 전극을 신경에 연결하는 대신 살아 있는 쥐에 특정 색상의 빛을 비추는 것만으로 신경 세포를 활성화할 수 있게 되었습니다. 또는 다른 옵신을 사용해서 다른 색상의 빛을 비추어 신경이 활성화되지 않도록 방지할 수도 있습니다. 이것이 바로 광유전학입니다.

레이저는 광유전학에 작은 도움을 줍니다.

광유전학의 가장 큰 장점은 물리적인 전극보다 훨씬 간단한 비접촉식 선택적 도구인 빛을 이용한다는 점입니다. 그리고 빛은 대상 동물에 피해를 주지 않고, 여러 곳으로 신속하게 이동할 수 있습니다. 또한 레이저 빛의 경우에는 매우 작은 지점으로 빛을 집중할 수 있으므로 뇌의 특정 부분만 자극하거나 비활성화할 수 있습니다.

가장 발전된 형태의 광유전학 실험에서는 Coherent Monaco와 같은 Ultrafast 레이저가 사용됩니다. Ultrafast 레이저의 장점은 "다광자 여기"라고 부르는 효과를 활용해서 쥐의 뇌에서 개별 뉴런을 선택적으로 자극할 수 있다는 것입니다. 또한 이 기술에 사용되는 적외선 빛은 뇌 피질 안까지 효과적으로 침투합니다.

점점 더 많은 신경과학자들이 컴퓨터 알고리즘에 따라 제어되는 여러 레이저 스팟 패턴을 투영하고 있습니다. 신경과학자들은 이렇게 해서 정밀하게 대상화된 수백 개의 뉴런을 자극하고 서로 간의 상호작용을 정확하게 확인할 수 있습니다. 실제로 이러한 작업들은 Coherent Axon 또는 Monaco와 결합된 Chameleon 시리즈와 같은 레이저 기반의 여러 다광자 여기(MPE) 현미경 기술을 사용하여 수행됩니다.

결국 신경과학자들은 많은 수의 뉴런이 어떻게 서로 통신하고 실시간으로 상호 작용하는지를 측정할 수 있게 될 것입니다. 처음 전기 펄스를 사용해서 신경의 작동 방식을 알게 되었을 때부터 250여 년이 지난 현재에 이르러서, 과학자들은 마침내 쥐가 왼쪽 또는 오른쪽으로 움직일 때 뇌가 어떻게 작동하는지를 연구할 수 있게 되었습니다. 이제는 우리가 자동차 키를 항상 어디에 두고 잊어버리는지만 알아낼 수 있다면 좋겠지만...

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