뇌 전체의 전기 신호를 밀리초 단위로 포착한다…MIT의 새로운 광시트 현미경

신경과학자들은 오랫동안 근본적인 선택의 기로에 서 있었다. 전극을 사용하면 몇 개의 뉴런에서 밀리초 단위의 정밀도로 전기 신호를 기록할 수 있었지만, 뇌 전체를 볼 수는 없었다. 반면 형광 칼슘 지표를 이용하면 뇌 전체의 많은 뉴런을 영상화할 수 있었지만, 진정한 신경 연산 속도에는 훨씬 미치지 못했다. MIT 공학자들이 개발한 새로운 현미경이 이 간극을 메웠다.

**원격 스캐닝 광시트 현미경(rsLSM)**은 살아있는 유기체의 뇌 전체에서 밀리초 단위의 해상도로 전기 신호를 기록한다 . 2026년 학술지 Neurophotonics에 발표된 논문과 관련 사전 출판본(preprint)에 자세히 설명된 이 시스템은 뇌가 투명해 전체를 광학적으로 영상화하기에 이상적인 모델 생물인 제브라피쉬 유생을 대상으로 시연되었다 .

칼슘 이미징이 따라잡지 못한 이유

10년 넘게 칼슘 이미징은 뇌 광학 영상의 핵심 도구였다. 유전자 조작을 통해 발현되는 GCaMP 같은 센서는 뉴런이 발화한 후 세포 안으로 유입되는 칼슘 이온을 감지한다. 하지만 칼슘은 실제 전기 신호 자체가 아닌 간접적인 지표일 뿐이다 .

2026년 논평에서 한 연구자는 "미세내시경 칼슘 이미징은 발화 자체를 측정하는 것이 아니라 형광 변화를 측정하는 것"이라고 지적한다. 칼슘 유입, 제거, 형광 센서 동역학의 시간 경과는 "활동 전위의 밀리초 단위 역학보다 훨씬 느리다" . 그 결과 칼슘 이미징은 개별 신호의 정확한 타이밍을 체계적으로 놓친다 .

반면, 전압 이미징은 **유전자 암호화 전압 지표(GEVI)**를 이용해 막 전위를 직접 측정한다 . 이는 지연된 화학적 반향이 아닌 전기 활동 자체에 대한 직접적인 광학 판독값을 제공하며, 활동 전위를 추적하는 데 필요한 밀리초 정밀도를 갖춘다 .

rsLSM, 어떻게 속도를 달성했나

MIT 연구팀은 약 200Hz(논문 버전에서는 200.8Hz)의 전체 뇌 커버리지를 달성하기 위해 rsLSM을 두 가지 핵심 혁신으로 설계했다 .

첫째, 이 현미경은 시료를 움직이는 대신 원격 재초점(remote refocusing) 방식을 사용한다. 빠르게 스캔하는 광시트(light sheet)가 기계적 움직임 없이 뇌 부피의 여러 평면에 전달되어 훨씬 빠른 체적 스캔이 가능해진다 .

둘째, 초고속 이중 카메라 시스템이 GEVI의 형광을 개별 활동 전위를 식별하는 데 필요한 속도로 포착한다 . 이 조합을 통해 시스템은 약 900 × 370 × 200 µm 크기의 제브라피쉬 유생 뇌 전체를 이전 광시트 현미경이 도달할 수 없었던 속도로 스캔할 수 있다 .

제브라피쉬 유생에서 밝혀낸 것

rsLSM을 통해 연구자들은 제브라피쉬 유생 뇌 전체에 분포한 전체 뉴런의 약 4분의 1에서 3분의 1의 전압을 측정했다 . 그 결과 "특정 순서 동안 서로 다른 시간에 발화하는 뉴런들이 뇌의 서로 다른 위치에 위치"해 있음을 관찰했으며, 이는 자연스러운 행동을 추동하는 밀리초 단위의 집단 역학을 보여준다 .

이러한 수준의 시간적, 공간적 세부 묘사—뇌 전체를 통해 활동 전위가 실시간으로 전파되는 것을 관찰—는 이전에는 어떤 전체 뇌 준비에서도 칼슘 이미징으로 접근할 수 없었다 . 이 연구는 분산된 신경 회로가 도피 반응이나 헤엄과 같은 빠른 행동을 어떻게 조정하는지에 대한 새로운 창을 열어준다 .

기술의 다음 단계

rsLSM의 즉각적인 영향은 연구자들이 밀리초 단위의 집단 신경 역학이 어떻게 자연 행동을 추동하는지에 대한 질문을 할 수 있게 한 것이다—칼슘 이미징으로는 다룰 수 없었던 질문들이다 . 향후 연구는 더 크고 복잡한 모델 생물로 전압 이미징을 확장하고, 유전자 조작 광유전학(optogenetics) 기술과 결합하여 과학자들이 신경 활동을 높은 정밀도로 읽고 쓸 수 있게 할 것으로 기대된다 .