1g 무선 현미경으로 자유 행동 쥐 뇌세포 8500개 동시 촬영

살아 있는 동물의 뇌를 들여다보려면 보통 머리에 소형 현미경을 얹고 케이블로 연결한다. 이 케이블이 동물의 움직임을 제한하고, 기존 장치는 시야가 좁아 한 번에 볼 수 있는 신경세포 수도 적었다. 중국 칭화대 다이충하이(Qionghai Dai) 교수팀은 네이처(Nature)에 이 한계를 크게 넓힌 무선 메조스코프(mesoscope) '에어스코프(Airscope)'를 보고했다.

비구면 렌즈로 길이 줄이고 무선으로 전송

에어스코프는 무게 1.0g, 가로 해상도 4μm, 시야 지름 6mm, 초당 12.5프레임의 성능을 낸다. 비구면 렌즈 설계로 광학 경로를 기존 소형 현미경보다 2.84배 짧게 만들면서도, 실험대에 고정하는 단광자 메조스코프와 비슷한 수의 신경세포를 포착했다. 전용 무선 전송 장치로 생쥐 한 마리당 8500개가 넘는 신경세포의 칼슘 신호를 케이블 없이 기록했는데, 연구진은 이를 기존 대비 25배 증가라고 설명했다.

연구진은 방 크기의 놀이 공간, 수영 과제, 여러 마리 동시 촬영 등에서 장치를 시험했다. 두 마리가 경쟁할 때는 등쪽 대뇌피질 여러 영역의 활동 패턴이 사회적 서열과 연관됐고, 집단 활동으로 경쟁 결과를 미리 예측할 수 있었다. 미로 탐색 중에는 보상 위치와 결부된 피질 활동이 나타났고, 뇌와 척수를 동시에 기록해 공포 조건화 동안 척수에서 피질로 향하는 신호 흐름(그레인저 인과성)도 분석했다.

의미와 한계

자연스럽게 행동하는 동물에서 피질 전체를 세포 해상도로 기록하는 일은 시스템 신경과학의 오랜 숙제였다. 이번 장치는 그 실험을 비교적 쉽게 만들 가능성이 있다. 다만 생쥐 대상 도구 개발 연구이며, 단광자 칼슘 이미징 특성상 깊은 층의 신경세포는 보기 어렵고 시간 해상도도 전기생리 기록에 못 미친다. 행동과 뇌 활동의 상관관계가 곧 인과는 아니다.