뉴로픽셀 옵토, 드디어 빛으로 뇌를 읽고 쓰는 시대를 열다

이로써 연구팀이 '교란 후 기록(perturb-and-record)' 능력이라고 부르는 새로운 실험 패러다임이 탄생했습니다. 즉, 대뇌피질의 특정 층에서 유전자 조작된 신경세포 집단을 자극하고, 동시에 수백 개의 주변 뉴런, 나아가 멀리 떨어진 뇌 영역에 미치는 연쇄 효과를 포착할 수 있게 된 것입니다.

놀라운 발견: 국소 자극이 뇌 전체에 미치는 비국소적 영향

네이처 메소드에 발표된 생쥐 실험에서 이 프로브는 대뇌피질 깊이에 따라 뉴런을 선택적으로 활성화하거나 억제하는 능력을 성공적으로 입증했습니다. 이는 어느 정도 예상된 결과였습니다. 연구자들을 놀라게 한 것은 바로 이 국소적 교란이 얼마나 멀리까지 전파되는가였습니다.

생쥐의 선조체(striatum) 및 기타 심부 뇌 구조에서 뉴로픽셀 옵토는 효율적인 '옵토태깅(optotagging, 빛에 반응하는 유전자 표지 세포 식별)'을 수행했습니다. 더 중요하게도, 960개 기록 지점을 통한 동시 측정 결과, 국소 피질 기둥(cortical column)을 조작하는 것만으로도 멀리 떨어진 뉴런과 뇌 영역에서 광범위한 반응이 일어난다는 사실이 밝혀졌습니다.

과거 기술로는 자극과 기록을 위해 각각 다른 도구를 써야 했기에, 이러한 네트워크 수준의 전파 패턴을 관찰하는 것은 거의 불가능했습니다. 뉴로픽셀 옵토는 그 경계를 하나의 기기로 무너뜨려, 살아있는 뇌에서 국소 교란이 어떻게 연쇄 반응을 일으키는지 그 실체를 드러내고 있습니다.

질병 연구의 패러다임을 바꿀 잠재력

이 프로브는 심부 뇌 구조까지 도달해 특정 세포 유형을 동시에 기록하고 조절할 수 있다는 점 덕분에, 근본적으로 회로 수준의 장애인 여러 신경계·정신 질환 연구에 강력한 도구가 됩니다.

알츠하이머병

해마와 내후각피질(entorhinal cortex)은 알츠하이머 병리가 가장 먼저 침범하는 구조 중 하나입니다. 뉴로픽셀 옵토의 긴 생크는 이 심부 영역까지 도달할 수 있으며, 광원은 아밀로이드와 타우 축적에 의해 교란되는 특정 중간뉴런 집단을 겨냥할 수 있습니다. 이들 세포를 직접 조작하며 신경망 반응을 실시간 기록하면, 병리가 어떻게 회로 기능을 무너뜨리는지에 대한 인과 모델을 구축할 수 있습니다. 이는 단순 상관관계 분석을 뛰어넘는 진전입니다.

파킨슨병

흑질(substantia nigra)의 도파민 뉴런 소실과 선조체 및 기저핵의 비정상적 발화 패턴이 파킨슨병의 특징입니다. 뉴로픽셀 옵토는 선조체 등 심부 구조에 삽입되어 공간적으로 정밀한 광유전학 자극을 제공하면서, 다양한 세포 유형과 회로 경로를 대표하는 수백 개 뉴런을 동시에 기록합니다. 이를 통해 어떤 세포 유형이 운동 증상을 유발하는지, 그리고 도파민 신호가 실패할 때 이들이 어떻게 상호작용하는지를 밝혀낼 수 있을 것입니다.

조현병

조현병의 주요 가설 중 하나는 파르브알부민 양성 중간뉴런의 기능 이상이 대뇌피질 네트워크를 조율하는 감마 주파수 진동을 붕괴시킨다는 것입니다. 뉴로픽셀 옵토는 이 유전자 표지 중간뉴런을 직접 활성화하거나 억제하면서 광범위한 피질 신경 집단을 기록할 수 있어, 중간뉴런 기능장애가 인지 및 지각 증상을 일으킨다는 가설을 인과적으로 검증할 수 있게 해줍니다.

이제 연구자들은 신경 활동을 행동이나 병리와 단순히 연관 짓는 데 그치지 않고, 특정 세포 유형이 고장 났을 때 실제로 무엇을 일으키는지 묻고 답할 수 있게 되었습니다. 상관관계에서 인과관계로의 이 전환이야말로 뉴로픽셀 옵토가 중개 신경과학 분야에 가져올 진정한 도약입니다.