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신경 활동을 매핑할 수 있는 기능적 자기 공명 영상법

Functional MRI maps neural activity

매사추세츠공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 연구진은 비침습적인 기능적 자기 공명 영상법(functional magnetic resonance imaging, fMRI)을 사용해서 뇌의 신경 활동을 탐지할 수 있는 새로운 센서를 개발했다.

기존의 뇌 영상 기술은 뇌를 관통할 수 없거나 특정 뇌 프로세스를 수행할 만큼 충분한 해상도를 가지고 있지 않았다. 하지만 이번에 개발된 새로운 센서는 칼슘 이온(Ca2+)의 세포외 농도를 측정함으로써 이러한 문제점을 해결했다. Ca2+의 세포외 농도를 통해서 시냅스 활동으로 인한 변화를 관찰할 수 있다. Ca2+ 농도는 100 μM까지 측정할 수 있고, 이러한 농도 변화는 수십 초 동안 지속될 수 있다. 예를 들어, 더 느린 변화가 발생했을 때는 수면 각성 이행(sleep-wake transition)과 관련되었다는 것을 알 수 있다.

간질과 알츠하이머 병 등 뇌 질환이 발생했을 경우에 Ca2+는 비정상적인 상태가 된다. 그러나 대부분의 fMRI 기술은 Ca2+의 변화를 관찰할 수 없다.

fMRI는 고정된 자기장을 사용해서 생물 조직의 물 분자 내부의 양성자 스핀을 정렬시킨다. 전파는 이런 스핀들을 편향시켜서 원래 정렬 상태로 돌아가게 만든다. 이 기술은 조직 구성에 대한 정보를 제공한다.

이번에 개발된 새로운 센서는 칼슘 이온이 존재할 때 결집되고 그렇지 않을 때 결집되지 않는 상자성 나노입자로 구성되어 있다. 결집된 나노입자는 결집되지 않는 나노입자보다 MRI에서 더 어둡게 보인다. 따라서 MRI 스캔 사진으로 칼슘 변화를 모니터링할 수 있다.

상자성 나노입자는 신경전달물질인 시냅토태그민(synaptotagmin)을 사용해서 칼슘에 반응할 수 있도록 만들었다. 이 단백질은 신경전달물질을 방출해서 0.1mM ~ 1.0mM 범위의 Ca2+ 농도 변화에 반응한다. 이 범위는 뇌 속의 세포외 칼슘 신호전달 과정을 모니터링하는데 적합하다.

새로운 센서를 이용한 기능성 뇌 이미징은 이전의 fMRI 방법보다 신경 활성화 정도를 더 직접적으로 측정할 수 있게 한다. 이 새로운 기술을 사용하면 기존의 방법보다 훨씬 더 정밀하게 더 넓은 뇌 영역의 활동을 매핑할 수 있게 한다. 또한 신경전달물질의 신호 또는 학습 및 기억에 관여하는 수용체 등 뇌의 기능성 관점에서 뇌 영상 신호를 해석할 수 있는 통찰력을 제공할 수 있을 것이다.

향후 새로운 칼슘 센서를 최적화해서 뇌의 더 넓은 영역을 관찰할 수 있기를 기대해 본다. 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 “Calcium-dependent molecular fMRI using a magnetic nanosensor” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/s41565-018-0092-4).

관련연구자: Satoshi Okada

관련기관: Massachusetts Institute of Technology

본문키워드(한글): 기능적 자기 공명 영상, 뇌, 신경 활성, 센서

본문키워드(영문): functional magnetic resonace imaging, brain, neural activity, sensor

국가: 미국

원문출판일: 2018-04-30

출처: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/71480