영화 상영하듯 뇌에 빔 프로젝터 쏴 뇌 연결지도 만든다

- 패턴화 광유전학 자극과 기능적 자기공명영상(fMRI)으로 뇌 연결성 고속 스캔

- 뇌 질환, 약물중독 치료 기술 개발 등 뇌 기능 연구에 활용 기대

▲ (왼쪽부터) 김성기 교수(성균관대, 교신저자), 최명환 교수(서울대, 교신저자), 김성훈 연구교수(서울대, 제1저자), 문현석 연구원(성균관대, 제1저자)

뇌 기능은 뇌의 각 영역 간의 상호 작용에 의해 결정된다. 따라서 뇌의 각 영역의 '연결성'을 이해하는 것은 뇌 기능 연구의 출발점이다.

뇌과학이미징연구단 김성기 교수(글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀은 빔 프로젝터로 패턴화한 광유전학 자극으로 살아있는 마우스의 대뇌 피질 활동을 자유롭게 조절하고, 기능적 자기공명영상(Functional magnetic resonance imaging, fMRI)으로 뇌의 전체 영역을 스캔하여 뇌 연결 지도를 만드는 기술을 개발했다. 이 연구에는 서울대 생명과학부 최명환 교수 연구팀이 공동으로 참여했다.

▲ IBS 뇌과학 이미징 연구단과 서울대 공동연구팀

광유전학(Optogenetics)은 글자 그대로 '빛(Opto)'과 '유전학(Genetics)'을 결합한 것으로, 유전학적 기법을 이용해 특정 세포에 빛을 감지할 수 있는 단백질을 발현시키고 빛을 이용해 세포를 제어하는 기술이다. 이 기술은 특정 영역의 뇌 세포 활동을 조절하여 단일 뇌 영역과 전체 뇌 회로 및 행동 간의 인과적 관계를 연구하는 데 널리 사용된다. fMRI는 뇌 전체의 활성을 스캔하여 광유전학적으로 유발된 특정 뇌 영역의 활동에 의한 뇌 전체의 변화를 확인할 수 있다.

지금까지 광유전학 fMRI는 침습적 수술로 뇌의 목표 영역에 광섬유를 삽입하고, 이를 통해 빛을 전달하여 자극하는 방식으로 이루어졌다. 하지만 이러한 방식은 뇌에 예기치 않은 손상을 입힐 수 있으며, 하나의 실험 개체에 많은 광섬유를 삽입할 수 없는 한계가 있었다. 때문에 수많은 뇌 영역에 대해 연구하기 위해서는 필연적으로 많은 수의 실험동물이 필요했다. 또한, 뇌 영역 간 연결성 차이를 연구하기 위해 실험 개체 간 차이를 통제해야하는 어려움이 있었다.

▲ 전체 광유전학 fMRI 시스템

연구진은 기존의 광섬유를 삽입하는 방법 대신 마우스의 대뇌 피질에 직접 빛을 쏘는 방법을 고안했다. 이때, 마우스의 두개골 때문에 빛이 침투할 수 없는 문제를 해결하기 위해 두개골을 치과수술용 드릴을 이용해 얇게 갈아내고, 약품을 처리해 뇌가 들여다보이도록 두개골 윈도(Thinned-skull Cranial window)*를 만들었다. 그리고 고출력 광유전학 자극 레이저를 장착한 빔 프로젝터를 이용해 대뇌 피질 전반에 직접 빛을 쏴 효과적으로 광유전학 자극이 가능하도록 했다.

 * 두개골 윈도(Thinned-skull Cranial Window): 두개골을 수술용 드릴을 이용해 얇게 갈아내고 화학 약품을 처리하여 뇌가 비쳐보이도록 하는 기법. 두개골을 완전히 제거하지 않아 부작용을 최소화하여 뇌가 비교적 자연스러운 상태에서 실험할 수 있다는 장점이 있다.

빔 프로젝터를 통한 광 자극은 기존의 단순한 점의 형태가 아니라, 뇌 표면에 영화를 상영하듯 빛을 쏘는 방식이다. 즉, 뇌의 원하는 영역에 원하는 패턴을 자유자재로 생성할 수 있다. 한 번의 실험으로 하나의 고정된 영역이 아닌 여러 영역에 자유롭게 광 자극을 전달하는 것이 가능해진 것이다.

▲ 기능적 자기공명영상(fMRI)

연구진은 이 기술을 이용해 하나의 마우스 실험개체에서 대뇌 피질 전반에 다양한 뇌 영역들을 순차적으로 자극했다. 그리고 fMRI로 전체 뇌를 스캔하여 얻은 뇌 활성반응에 대한 대량의 데이터를 통해 뇌 영역 간 상호작용의 인과적 관계를 나타내는 유효 연결성(Effective connectivity)* 지도를 완성할 수 있었다.

 * 유효 연결성(Effective connectivity): 한 영역이 다른 영역들에 미치는 영향을 수치화한 것으로, 단순히 영역 간의 상호작용을 나타내는 기능적 연결성(Functional connectivity)을 보여주는 것에서 나아가 영역 별 활동 간의 인과적 관계를 설명한다.

▲ 통계적인 분석

나아가, 동물 연구에 널리 쓰이는 두 종의 마취제인 이소플루레인(Isoflurane)과 케타민-자일라진(Ketamine-Xylazine)으로 마우스를 각각 마취시킨 뒤, 서로 다른 마취 조건 하에서 마우스 뇌의 유효 연결성을 비교분석했다. 그 결과, 이소플루레인이 특정 대뇌 피질의 영역과 중뇌 영역 간의 연결성을 선택적으로 약화시키는 것을 발견했다. 이것은 패턴화된 광유전학 자극을 사용한 fMRI가 특정 뇌 상태에 의해 유도된 유효 연결성 변화를 효과적으로 측정할 수 있음을 보여준다.

이번 연구는 특정 뇌 상태와 연관된 뇌 회로를 추출하는 새로운 방법을 제시했으며, 이는 뇌 질환 및 약물 등으로 인한 뇌 기능 저하의 메커니즘을 밝히는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

김성기 단장은 "뇌 전체의 유효 연결성과 구조적 연결성을 직접 비교해 뇌의 구조와 기능에 대한 심층적인 연구가 가능해졌다"며 "향후 뇌 질환 및 약물 중독의 신경생리학적 메커니즘을 규명하고 치료 기술을 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구성과는 뇌과학 분야 권위지 뉴런(Neuron)에 3월 31일(한국시간) 온라인 게재됐다.

▲ 광유전학 fMRI 시스템

○ 관련 언론보도

 - 빔프로젝터 쏴 뇌 연결지도 만든다…뇌 회로 추출 새 방법 제시 <연합뉴스, 2023. 3. 31.>
 - 뇌에 빔 프로젝터 쏴 만든 뇌 연결지도..."뇌 구조·기능 심층연구 가능" <동아사이언스, 2023. 3. 31.>
 - 빔 프로젝터 빛으로 뇌 자극 성공…“뇌 연결지도 만들었다" <헤럴드경제, 2023. 3. 31.>
 - 국내 연구진, 뇌에 빔프로젝터 쏴 뇌 연결지도 제작 기술 개발 <세계일보, 2023. 3. 31.>
 - 빔 프로젝트로 순식간에 뇌 스캔한다 <아시아경제, 2023. 3. 31.>