나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 뇌(腦) 과학 및 지능 기술 탁월(卓越) 혁신센터(신경과학 연구소), 상하이(上海) 뇌(腦) 과학 및 유사 뇌(類腦) 연구 센터, 신경과학 국가 중점 실험실 두쥬린(杜久林) 연구원 연구팀은 중국과학원 상하이(上海) 세라믹 연구소 스졘린(施劍林), 부원보(步文博) 연구원 연구팀과 공동연구를 수행하고, 근적외선 여기(near-infrared excitation)를 통해 생성되는 전압을 이용하는 나노 프로브(voltage nano probe)를 개발하여 제브라피쉬(zebrafish)와 실험용 마우스 대뇌 속 신경원 막 전위(neuronal membrane potential)의 동적 상태 변화에 대한 신호 검출에 성공함.

연구팀은 이번에 개발한 전압 나노 프로브를 이용하여 제브라피쉬 앞 뇌 신경원의 식물에 의한 자극 반응을 연구하였으며, 근적외선 여기로 인해 1회의 식물 자극으로도 신경원의 형광 신호를 증강시키는 것과 연속 수회의 자극 하에서 안정적인 기록을 할 수 있음을 발견함. 이런 특징은 UCNPs가 비교적 낮은 정도의 담금질에 의해 생성되며, 생체 기록 시간은 30분에 달하여 기존의 단백질 분자 프로브를 크게 능가함.

포유동물 신경원 막 전위의 임계 진동은 동물 개체의 뇌 상태 및 변화를 반영하고 있으며, 깊은 수면과 마취 상태에서 뇌 상태는 주로 저주파 상태에 있게 되며, 동물이 깨어날 때 저주파는 약해지거나 심지어 사라지기까지 하는 동시에 고주파 전기 활동으로 대체되며, 칼슘 이온에 기반 한 이미징이 반영하는 신경 활동은 이런 임계 하에서의 막 전위 진동을 나타내기 어렵기 때문에 연구팀은 실험용 작은 마우스 초급 체감 표피층 속에 전압 나노 프로브를 주입하여 펜토바르비탈 마취(pentobarbital anesthesia)가 다른 심층 정도 하에서의 신경원 임계 하의 막 전위 활동에 대한 분석을 실행하였음.

깊이 마취된 상태에서 나노 프로브 발광은 저주파 진동 현상을 나타내는데 이런 상태에서 막 전위는 저주파를 주로 사용하며, 실험용 작은 마우스 꼬리 부위에 기계 자극을 주어 마취 상태에서 깨어나도록 하면, 나노 프로브 발광의 저주파 진동은 약해지고 고주파 성분은 상대적으로 증강되며 10분 후에 기존의 수준으로 회복되는 것으로 나타남. 이런 현상은 나노 프로브의 발광 강도가 뇌 전기 성분의 관련 변화를 실질적으로 반영한다는 점을 의미함.

연구팀은 이번 연구를 통해 사용 가능한 근적외선 자극으로 인해 생성되는 전압에 민감한 프로브를 새롭게 디자인하였으며, 심층 생체 조직 속의 신경 활동에 대한 탐색을 위해 실시간 동적 상태 모니터링이 가능한 방법을 개발하였음.

본 연구 성과는 ‘JACS’ ("Near-infrared voltage nanosensors enable real-time imaging of neuronal activities in mice and zebrafish")지에 게재됨.