두광자 현미경이 연구자들이 실시간으로 뇌 활동을 모니터링하도록 가능하게 함

뇌 활동 모니터링은 그 능력이 처음 등장한 이래 신경과학의 핵심 요소였습니다. 인간의 뇌는 우주와 바다보다 덜 이해되고 있습니다. 따라서 인간의 마음 안에 숨겨진 신비를 밝히기 위한 거대한 노력이 진행되고 있습니다. 이제 연구자들은 혁신적인 두광자 형광 현미경 방법을 사용해 실시간으로 정신 활동을 더 깊이 탐구할 수 있습니다. 여기에서 알아야 할 사항을 소개합니다.

뇌 활동을 이해하는 것은 알츠하이머와 같은 신경 질환 치료를 포함한 많은 산업에 필수적입니다. 과학자들은 뉴런이 사고 중에 어떻게 소통하고 상호작용하는지를 밝히기 위해 상당한 노력을 기울여 왔습니다. 이 연구의 목표는 복잡한 신경 상호작용을 세포 수준까지 완전히 이해하는 것입니다.

연구자들은 이 데이터를 활용해 근본적인 뇌 기능을 밝히고, 궁극적으로 학습, 기억, 의사결정 및 의료 분야의 향상을 이끌어낼 수 있기를 기대합니다. 이를 위해 실시간으로 동적인 신경 과정을 추적할 수 있는 고급 두광자 이미징 도구를 개발했으며, 학습, 활동 및 질병 상태에서 뇌에 대한 더 깊은 통찰을 가능하게 합니다.

뇌 활동 기록의 현재 방법들

오늘날 사용되는 뇌 활동 기록 방법은 여러 가지가 있습니다. 이러한 접근법은 현재까지 산업 발전에 기여해 왔습니다. 그러나 활동을 모니터링하는 데 시간이 많이 걸리고, 환자에게 해로울 수 있으며, 비용이 많이 드는 등 중요한 단점도 존재합니다. 현재 가장 흔히 사용되는 두 가지 방법은 기능성 자기공명영상(fMRI)과 뇌파측정(EEG)입니다.

기능성 자기공명영상 (fMRI)

기능성 자기공명영상은 오늘날 뇌파를 모니터링하는 가장 첨단 방법 중 하나입니다. 이 비침습적 절차는 자기장과 라디오파를 결합해 뇌의 전자기 펄스를 3D 이미지로 생성합니다. 이 전략은 특정 뉴런 집합을 확대하여 관찰할 수 있게 함으로써 이전 방법들에 비해 큰 개선을 이루었으며, 뇌 활동에 대한 전반적인 이해를 크게 향상시켰습니다.

뇌파측정 (EEG)

영화에서 보셨을지도 모르는 또 다른 방법은 뇌파측정입니다. 이 방법은 뇌의 전기 활동을 측정합니다. 환자는 전류에 민감한 특수 센서를 두피에 부착해야 합니다. 이 뇌파 추적 방식은 1975년 리처드 캐튼이 토끼와 원숭이의 뇌에서 전기 펄스를 성공적으로 추적한 이후로 사용되어 왔습니다.

그 이후로 뇌 활동 기록 방법은 크게 향상되었습니다. 1950년대에 최초의 현대식 EEG가 도입되었으며, 1980년대까지 뇌파 추적의 주요 방법으로 충실히 사용되었습니다. 1988년에는 사람의 뇌파를 이용해 로봇을 제어하는 데 활용되었으며, 현재도 많은 연구자들이 사용하고 있습니다.

연구

연구 “Adaptive line-excitation을 이용한 고속 두광자 현미경“이 Optica에 발표되어 두광자 현미경이 신경 활동의 뛰어난 고속 이미지를 제공할 수 있음을 밝혔습니다. 이러한 사진은 특수 제작된 두광자 형광 현미경을 사용해 세포 수준의 해상도로 촬영되었습니다.

두광자 형광 현미경

두광자 형광 현미경은 뇌 조직 깊숙이 선명한 이미지를 제공할 수 있습니다. 이를 위해 이 메커니즘은 적응형 샘플링 구조를 도입합니다. 이 구조는 실험 전반에 걸쳐 반복되어 동적인 3D 이미지와 뇌 활동 지도를 생성합니다.

적응형 샘플링 전략

이 연구의 핵심은 적응형 샘플링 전략의 도입입니다. 이 방법은 기존의 점 조명 기술을 대체합니다. 대신, 보다 효율적인 라인 조명 전략과 업데이트된 점 스캔 방식을 함께 사용하여 과거 방법에 비해 훨씬 더 많은 세부 정보와 모니터링 능력을 제공합니다.

점 스캔

구식 방법의 점 스캔은 여러 면에서 부족했습니다. 첫째, 매우 제한적이어서 뇌 전체의 뉴런 연속을 추적하기 어려웠습니다. 새로운 점 스캔 방법은 변형된 라인 조명 전략을 사용해 고해상도 점 스캔 방식을 모방합니다. 이 전략은 뇌의 어느 영역이 다음 단계인 라인 스캔으로 넘어가야 하는지를 식별하는 데 핵심적입니다.

라인 조명

라인 조명은 신경공학 엔지니어에게 획기적인 기술입니다. 이 방법은 샘플링 영역에 작은 빛의 선을 투사합니다. 이 접근법은 형광을 유도하여 뇌 전체의 신경 신호를 시작부터 끝까지 추적하기 쉽게 합니다. 또한, 이 방식은 뇌의 훨씬 넓은 영역을 실시간으로 자극, 스캔 및 매핑할 수 있게 합니다.

두광자 현미경 테스트

두광자 형광 현미경의 테스트 단계에서는 두 마리의 실험용 쥐를 사용했으며, 연구자들은 마우스 대뇌 피질에서 실시간으로 신경 활동을 추적할 수 있었습니다. 특히 이 장치는 현재 최대 198Hz까지 이미지 신호를 포착할 수 있습니다. 이번 테스트에서 엔지니어들은 최근 신경 활동을 나타내는 칼슘 신호를 추적했습니다.

디지털 마이크로미러 장치 (DMD)

이 작업을 수행하기 위해 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 사용해 특수하게 구성된 레이저 빔 패턴을 형성합니다. 이 장치는 수천 개의 미세한 거울을 포함하고 있으며, 각 거울은 개별 제어를 통해 뇌의 정확한 부위에 빛을 형성하고 조준할 수 있습니다. 또한, 거울은 신경 활동에 따라 활성화 및 비활성화되도록 설정할 수 있어 모든 뇌 상태에서 더 나은 이미징을 가능하게 합니다.

출처 – Molly M Bechtel, University of California, Davis

두광자 형광 현미경 테스트 결과

테스트 결과는 현재 방법을 개선하고 산업을 뒤흔들 잠재력을 가진 예상치 못한 데이터를 제공했습니다. 첫째, 연구는 두광자 형광 현미경이 뇌 내부 작동에 대한 뛰어난 통찰을 제공한다는 점을 밝혔습니다. 짧은 라인 엑시테이션과 적응형 샘플링 방식을 이용해 고속 이미지를 생성할 수 있는 능력은 향후 다양한 활용 가능성의 문을 열어줍니다.

연구자들은 새로운 방법을 통해 이전에 불가능했던 수준으로 개별 뉴런을 모니터링할 수 있게 되었다는 것을 발견했습니다. 이 새로운 데이터는 고급 계산 알고리즘을 만드는 데 활용될 것이며, 언젠가 신경학자들이 개별 뉴런을 분리하고 더 잘 이해하는 데 도움을 줄 것입니다.

혜택

이 연구는 시장에 다양한 혜택을 제공합니다. 첫째, 이러한 뇌 영상 방식은 연구자들이 이전에 상상할 수 없었던 방식으로 뇌의 기능적 구조를 이해하도록 합니다. 이제 특정 뇌 세포가 특정 과정 중에 어떻게 상호작용하고 소통하는지를 확인할 수 있습니다.

신경 질환 치료

이러한 이해는 알츠하이머와 파킨슨과 같은 신경 질환의 증가에 맞서 싸우는 데 핵심이 될 수 있습니다. 이들 질환은 매년 수십만 명의 생명을 앗아갑니다. 미국에서는 알츠하이머만으로도 약 12만 명이 사망합니다. 안타깝게도 이 수치는 2060년까지 전 세계적으로 1380만 명으로 증가할 것으로 예상됩니다.

뇌가 이러한 상태에서 어떻게 작동하는지와 건강한 상태에서의 차이를 이해함으로써 엔지니어들은 이 격차를 메우고 뇌를 원래 기능으로 회복시킬 수 있습니다. 현재 이 데이터는 이러한 치료를 현실화하기 위해 필요한 많은 비밀을 푸는 데 큰 가치를 지니고 있습니다.

학습

뇌 활동 모니터링이 국가의 미래에 중요한 또 다른 이유는 학습 향상에 활용될 수 있기 때문입니다. 기억을 고정시키는 요인이나 정보를 더 빠르게 회상하는 방법을 이해하는 등은 이 뇌 모니터링 방식이 개선할 수 있는 몇 가지 관심 분야입니다. 앞으로는 학교 교육과정이 현재의 다양한 기준보다 신경 기억 유지에 기반할 수 있습니다.

이미지 속도 향상

기존 방법으로 신경 활동을 측정하는 것은 효과적이었지만 시간이 많이 소요되었습니다. 또한 복잡한 정신 행동을 이해하는 데 필요한 세부 정보를 제공할 만큼 충분히 빠른 이미지를 제공하지 못했습니다. 이 새로운 방법은 전통적인 두광자 현미경보다 10배 빠르며, 이전 시스템으로는 포착할 수 없던 정신 현상을 모니터링하고 추적할 수 있게 합니다.

부작용 감소

속도가 빨라짐에 따라 환자에 대한 노출이 감소합니다. 또한 시스템은 더 낮은 출력의 레이저를 필요로 합니다. 레이저 출력과 노출 시간을 줄임으로써 환자는 뇌 조직에 가해지는 에너지 방사량이 크게 감소합니다. 새로운 시스템은 해당 뉴런만을 조명하므로 민감한 조직 손상의 위험이 낮아집니다.

비용 절감

비용 절감은 새로운 접근 방식이 제공하는 또 다른 장점입니다. 연구에 따르면 두광자 형광 현미경은 기존 두광자 방법에 비해 레이저 전력이 10배 적게 필요합니다. 이 전력 감소는 지속 가능성을 높이고 환경 영향을 줄입니다.

확장성

새 기술의 가장 큰 장점 중 하나는 다른 효과적인 방법과 원활히 결합할 수 있다는 점입니다. 연구진은 이미 빔 멀티플렉싱 및 원격 초점 조절과 같은 절차와 장치를 결합할 계획을 밝혔습니다. 이러한 기술은 이미지 속도를 높이고 실시간으로 부피 3D 이미지를 생성할 수 있게 합니다.

연구자들

이 연구는 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스에서 Yunyang Li가 주저자로 수행되었습니다. 연구팀에는 Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo, 그리고 Weijian Yang이 포함되었습니다. 프로젝트 자금은 Burroughs Wellcome Fund, 국립 과학 재단, 국립 신경 질환 및 뇌졸중 연구소, 그리고 국립 안과 연구소 등 다양한 출처에서 지원받았습니다.

이 연구로 혜택을 받을 수 있는 두 기업

많은 제조업체가 이 기술을 제품에 통합하여 시장에 더 높은 수준의 서비스를 제공할 수 있습니다. 치매 완화를 목표로 하는 기업부터 로봇 기업까지, 뇌 활동과 이해를 활용하는 데는 무한한 이유가 있습니다. 다음은 향후 몇 달 내에 이 기술을 도입할 준비가 된 두 기업입니다.

1. BrainChip Holdings Ltd

BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX ) 는 인기 있는 뇌 네트워크 소프트웨어 시뮬레이터입니다. 이 회사는 2004년에 시장에 진입했으며 호주에 기반을 두고 있습니다. 설립자인 Peter Van Der Made는 회사의 선구적 노력이 고급 인공지능(AI) 및 머신러닝(ML) 통합에 집중하도록 하는 데 중요한 역할을 해왔습니다.

현재 이 회사는 뇌의 신경망을 모델링한 IoT 인프라를 포함한 다양한 제품을 제공하고 있습니다. BrainChip이 주목받게 만든 또 다른 인기 제품은 Akita Development Environment로, 개발자들이 실험적 신경망을 생성, 훈련 및 테스트할 수 있게 합니다.

BrainChip Holdings는 2023년 이후 몇몇 단점을 겪었습니다. 그러나 회사의 최신 소프트웨어와 AI·ML 분야 진출이 투자자들의 관심을 다시 불러일으켰습니다. 따라서 BrainChip Holdings Ltd는 강력한 상승 잠재력을 가지고 있는 것으로 평가됩니다.

2. Biogen

Biogen은 최근 시장에서 큰 주목을 받고 있는 제약 연구 기업입니다. 매사추세츠에 본사를 둔 이 제조업체는 신경 질환 치료 및 관리에 특화되어 있습니다. 현재 신경계, 신경퇴행성 및 자가면역 질환 치료에 도움을 주는 제품들을 보유하고 있습니다.

Biogen은 일부 치료제를 신속하게 출시한 것에 대해 비판을 받았지만, 이는 시장에서의 위상 상승을 늦추지는 못했습니다. 최신 제품인 Leqembi는 FDA의 빠른 승인 절차를 거쳐 알츠하이머 치료를 목표로 합니다. 이 회사는 지난 해에 최신 약물 사용량이 거의 세 배로 증가했으며, 이는 기업이 더 강력한 시장 입지를 확보하는 데 기여했습니다. 따라서 Biogen은 알츠하이머 치료 시장에 대한 초기 진입과 다양한 제품 라인업으로 인해 투자자들에게 매력적인 매수 대상이 될 수 있습니다.

두광자 현미경이 미래를 엿보다

두광자 형광 현미경은 인간이 오직 생각만으로 주변과 상호작용할 수 있는 단계에 한 걸음 더 다가가게 합니다. 이 혁신적인 연구팀은 신경 연구의 경계를 넓히며 인간 뇌 활동에 대한 전례 없는 통찰을 제공했습니다. 이 연구는 앞으로 추가적인 연구를 촉발하여 궁극적으로 신경 질환을 감소시키고 다양한 발전을 이끌 가능성이 높습니다.

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