빛을 이용한 신경 세포 제어 및 그 응용
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1. 서론
인간의 뇌는 우리가 이해하기에는 매우 복잡한 구조를 갖고 있기에 아직도 밝혀내야 할 비밀이 무궁무진한 미지의 세계이다. 국내에서도 최근 들어 뇌를 집중적으로 연구하기 위해 관련 학과 및 연구소가 개설되고 있고 활발하게 연구가 진행되고 있다. 1870년 Fritsch와 Hitzig가 대뇌 운동피질에 국소적인 전기 자극이 가능함[1]을 보인 이후로 전류를 이용해 신경 세포를 자극하는 방법은 뇌 기능 연구를 위해 아주 중요한 역할을 수행해 왔다. 1990년대 이후에는 심부 뇌 자극술 (Deep brain stimulation)을 이용하여 파킨슨병의 증상을 완화시키거나 우울증을 치료하는 등의 임상 분야에도 이용되고 있다 [2]. 심부 뇌 자극술의 치료 결과는 인터넷 상의 여러 동영상[3, 4]을 통해 확인할 수 있다. 수술을 통해 이식된 기기 및 전극을 통해 뇌를 전기적으로 자극하면 떨리던 손과 발이 멈추어 정상인처럼 생활하기도 하고 우울했던 기분이 밝아지기도 한다.
2. 본론
신경 세포의 전기 자극을 이용한 연구가 수십 년 동안 이루어지면서 뇌에 대한 이해의 폭을 넓혀 주었지만, 전기적 자극의 경우 세포 선택성이 없기 때문에 뇌 안의 다양한 신경 세포들을 동시에 자극[5]하여 예기치 못한 부작용을 낳을 수 있고 신경 세포들에 반복적으로 전류가 흐르면서 원하지 않는 손상을 가져올 수 있다 [6]. 이러한 단점을 극복하기 위해 특정 파장의 빛을 이용하여 신경 세포를 손상하지 않고 선택적으로 자극/억제하는 방법 (optogenetics)이 최근 들어 각광 받고 있다 [7].
미국 Stanford 대학의 Karl Deisseroth 교수 그룹은 특정 파장의 빛에 의해 반응하는 channelrhodopsin-2(ChR2) [8]을 신경 세포에 발현시켜 광학 신호로 신경 세포를 자극하는 연구를 처음으로 발표하였다 [9]. 녹조(green alga)로부터 얻을 수 있는 ChR2를 우리가 원하는 종류의 신경 세포들에만 선택적으로 발현시키면 파란색 빛 (파장 473nm)에 의해 ChR2의 양이온 채널이 열리면서 신경 세포 안으로 다량의 양이온이 유입되어 신경 세포들 사이의 신호 전달이 활발해 진다. Deisseroth 그룹은 2010년 7월, 파킨슨병으로 운동 능력을 상실한 실험용 쥐에ChR2를 발현시켜 운동 능력을 개선시키는 실험결과를 Nature에 보고[10]하는 등 활발하게 관련 연구를 진행하고 있다.
Deisseroth 그룹에서는 빛을 원하는 위치까지 전달하고 신경 세포의 전기적 신호를 읽어내기 위해서 그림 2와 같이 광섬유 (optical fiber)가 부착된 neural probe를 이용하였다 [10]. 다른 그룹의 연구에서는 신경 세포의 물리적 손상을 최소화하기 위해 불산(HF)에서 광섬유를 식각하여 두께를 얇게 한 후에 부착하기도 하였다 [11]. 또한, 그림 3과 같이 neural probe array의 일부를 광섬유로 대체하여 빛을 전달하면서 신경 세포의 신호 전달을 기록하는 연구도 수행된 바 있다 [5]. 이외에도 다양한 구조의 소자들을 이용하여 뇌의 여러 부위에 대한 흥미로운 연구들이 많이 진행되고 있으며, 최근 5년 이내에 Nature 와 Science 를 비롯한 유수의 저널에서 관련 논문을 검색하면optogenetics에 대한 연구자들의 관심을 실감할 수 있다.
뇌에 대한 연구와 더불어 아래 그림 4와 같이 시각 장애인을 위한 ChR2를 이용한 시스템[12]이 제안되었으며 관련 연구가 진행되고 있다 [13]. 시신경에 ChR2를 발현시켜 파란색 빛에 민감하도록 만든 뒤 안경처럼 생긴 구조물에 달린 이미지 센서를 통해 화상 정보를 단색 이미지로 변환한 뒤 해당 이미지를 파란색 빛으로 안구에 조사해 주는 구조이다.
한편, 신경 세포를 자극하는 ChR2 이외에 halorhodopsin(NpHR)을 이용하면 파장 561 nm의 빛으로 신경 세포 안에 음이온을 다량 유입시켜 신경 세포의 활동을 억제 시킬 수도 있는데 [11], 최근에는 ChR2과 NpHR가 발현된 zebrafish에 빛을 조사하여 심장 박동을 인위적으로 조절하는 실험 결과가 Science에 발표되기도 하였다 [14].
3. 결론
특정 파장의 빛에 의해 신경 세포를 제어하는 방법은 오랫동안 연구되어 왔던 신경 세포를 전기적으로 자극하는 방법의 단점들을 보완해 줄 수 있는 새로운 방법이다. 신경 세포를 빛으로 자극 할 수 있을 뿐만 아니라 그 활동을 억제할 수도 있기 때문에 뇌 연구 및 기타 응용 연구에 새로운 장을 열어 주었으며 앞으로도 매우 많은 연구가 활발히 진행될 것으로 예상할 수 있다.
4. 참고 문헌
[1] G. Fritsch, and E. Hitzig, “Uber die elektrische Erregbarkeit des Grosshirns,” Arch. Anat. Physiol., Vol. 37, pp. 300-332, 1870.
[2] Joel S. Perlmutter, and Jonathan W. Mink, “Deep Brain Stimulation,” Annual Review of Neuroscience, Vol. 29, pp.229-257, Mar., 2006.
[3] http://www.youtube.com/watch?v=rGYAByJnDn0&feature=related
[4] http://www.youtube.com/watch?v=KcGLC_rOaKM&feature=related
[5] Jiayi Zhang, Farah Laiwalla, Jennifer A. Kim, Hayato Urabe, Rick Van Wagenen, Yoon-Kyu Song, Barry W. Connors, Feng Zhang, Karl Deisseroth, and Arto V. Nurmikko, “Integrated device for optical stimulation and spatiotemporal electrical recording of neural activity in light-sensitized brain tissue,” Journal of Neural Engineering, Vol. 6, pp. 055007 (13pp), 2009.
[6] D. B. McCreery, W. F. Agnew, T. G. H. Yuen, L. A. Bullara, “Comparison of Neural Damage Induced by Electrical Stimulation with Faradaic and Capacitor Electrodes,” Annals of Biomedical Engineering, Vol. 16, pp. 463-481, 1988.
[7] Lizzie Buchen, “Illuminating the brain,” Nature, Vol.465, pp.26-28, May, 2010.
[8] Georg Nagel, et al., “Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 100, No. 24, pp. 13940-13945, Nov., 2003.
[9] Edward S. Boyden, Feng Zhang, Ernst Bamberg, Georg Nagel, and Karl Deisseroth, “Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity,” Nature Neuroscience, Vol. 8, No.9, pp.1263-1268, Sep., 2005.
[10] Alexxai V. Kravitz, Benjamin S. Freeze, Philip R. L. Parker, Kenneth Kay, Myo T. Thwin, Karl Deisseroth, & Anatol C. Kreitzer, “Regulation of parkinsonian motor behavirours by optogenetic control of basal ganglia circuitry,” Nature, Vol. 466, pp. 622-626, Jul., 2010.
[11] Sebastian Royer, Boris V. Zemelman, Mladen Barbic, Attila Losonczy, Gyorgy Buzsaki, and Jeffrey C. Magee, “Multi-array silicon probes with integrated optical fibers: light-assisted perturbation and recording of local neural circuits in the behaving animal,” European Journal of Neuroscience, Vol. 31, pp. 2279-2291, 2010.
[12]P. Degenaar, M. Hankins, E. M. Drakakis, C. Toumazou, K. Nikolic, C. Kennard, Y. Huang, “Retinal prosthetic devices,” World Intellectual Property Organization, PatentWO2007/148038A1, 2007, pp.0714?8038.
[13] Nir Grossman et al., “Multi-site optical excitation using ChR2 and micro-LED array,” Journal of Neural Engineering, Vol. 7, pp. 016004 (13pp), 2010.
[14] Aristides B. Arrenberg, Didier Y. R. Stainier, Herwig Baier, and Jan Huisken, “Optogenetic Control of Cardiac Function,” Science, Vol. 330, pp.971-974, Nov., 2010.