[논문 리뷰] Functional imaging of ganglion and receptor cells in living human retina by osmotic contrast

Clara Pfäffle, Dierck Hillmann외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 08.

Retinal Development and Disorders참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 삼투적 대비를 통해 단층 위상 민감도 광간섭단층촬영(OCT)로 살아있는 인간 망막에서 수용체 세포와 간상세포의 기능적 활동을 동시에 영상화함을 보여준다. 고도로 발전한 운동 아티팩트 억제 및 위상 분석을 적용하여, 간상세포의 체적 변화는 수용체 세포보다 10배 작게, 나노스케일로 유도된 삼투적 변화를 해독함으로써, 망막 뉴런 간의 기능적 연결망을 매핑할 수 있었으며, 이론적 모델은 이러한 신호들이 이온 유입에 의해 유도된 삼투적 팽창과 관련이 있음을 제시한다.

ABSTRACT

Imaging neuronal activity non-invasively in vivo is of tremendous interest, but current imaging techniques lack either functional contrast or necessary microscopic resolution. The retina is the only part of the central nervous system (CNS) that allows us direct optical access. Not only ophthalmic diseases, but also many degenerative disorders of the CNS go along with pathological changes in the retina. Consequently, functional analysis of retinal neurons could lead to an earlier and better diagnosis and understanding of those diseases. Recently, we showed that an activation of photoreceptor cells could be visualized in humans using a phase sensitive evaluation of optical coherence tomography data. The optical path length of the outer segments changes by a few hundred nanometers in response to optical stimulation. Here, we show simultaneous imaging of the activation of photoreceptor and ganglion cells. The signals from the ganglion cells are ten-fold smaller than those from the photoreceptor cells and were only visible using new algorithms for suppressing motion artifacts. This allowed us to generate a wiring diagram showing functional connections between photoreceptors and ganglion cells. We present a theoretical model that explains the observed intrinsic optical signals by osmotic volume changes, induced by ion influx or efflux. Since all neuronal activity is associated with ion fluxes, imaging osmotic induced size changes with nanometer precision should visualize activation in any neuron.

연구 동기 및 목표

• 현재의 비침습적 기능적 영상 기술의 한계를 극복하고, 생체 내 인간 망막에서 근접세포 해상도로 뉴런 활동을 탐지하고 영상화하는 것.
• 각각의 삼투적 유도 체적 변화를 탐지함으로써, 수용체 세포와 망막 간상세세포 간의 기능적 연결성을 규명하는 것.
• 특히 낮은 진폭의 간상세세포 반응에 대해, 하위 파장 수준의 위상 변화를 망막 OCT 데이터에서 추출하기 위해 고도로 발전한 운동 아티팩트 억제 알고리즘을 개발하고 적용하는 것.
• 뉴런 활성화 중 이온 유입으로 인한 삼투적 부피 변화와 관련된 내재된 광학 신호를 연결하는 이론적 모델을 검증하는 것.
• 형태적 변화가 나타나기 이르게 망막 뉴런의 기능적 변화를 탐지함으로써 중추신경계(CNS) 질환의 조기 진단을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 고속 조절 가능한 빛원천을 사용한 전장 스킵드 서브스택 옵티컬 코herence 톰그래피(FF-SS-OCT)를 활용하여 고시간 및 고공간 해상도로 부피 영상 및 위상 민감도 망막 영상을 획득함.
• 내부 세포/외부 세포(IS/OS) 경계를 A-scan 간에 축방향으로 재정렬하기 위해 푸리에 시프트 정리를 적용하여 위상 분석을 위한 일관된 깊이 기준을 확보함.
• 특정 망막층 간의 위상 차이에서 광학 길이 경로(OPL) 변화를 계산함: 수용체 세포의 경우 IS/OS와 OS 끝부분, 간상세세포의 경우 간상세세포층(GCL)과 내층 피복층(IPL)을 대상으로 함.
• 맥박에 의한 운동 아티팩트를 줄이기 위해, 위상 차이 히스토GRAM의 표준편차가 가장 낮은(즉, 위상 노이즈가 가장 작은) 참조 부피 선택 전략을 구현함.
• 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해 횡방향 가우시안 필터링과 자극 주기 동안의 시간 평균을 적용함.
• 위상 풀기 및 배경 위상 드프트를 모델 기반 보정을 통해 적용하여, 자극과 무관한 위상 변동에서 진짜 뉴런 반응 신호를 분리함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상 민감도 OCT를 이용해 인간 망막 간상세세포의 기능적 활동을 나노미터 수준의 정밀도로 생체 내에서 영상화할 수 있는가?
• RQ2 이론적 모델이 제안하는 바와 같이, 맹막 뉴런의 삼투적 유도 체적 변화가 뉴런 활성화와 상관이 있는가?
• RQ3 눈 맥박과 미세사시 운동으로 인한 운동 아티팩트는 간상세세포에서 하위 파장 수준의 OPL 변화를 해소하는 데 효과적으로 억제될 수 있는가?
• RQ4 내재된 광학 신호의 시기 및 공간적 상관관계를 기반으로 수용체 세포와 간상세세포 간의 기능적 연결성을 매핑하는 것이 가능한가?
• RQ5 망막에서 관찰된 내재된 광학 신호는 뉴런 활성화 중 이온 유입으로 인한 삼투적 부피 변화에 기인하는가?

주요 결과

• 빛 자극에 대한 반응으로 수용체 세포 외부 세포막의 OPL 변화가 높은 정밀도로 성공적으로 탐지되었으며, 이는 이전 연구 결과를 확인함.
• 간상세세포 반응의 신호 진폭은 수용체 세포 반응보다 약 10배 작았으며, 낮은 진폭의 뉴런 활동 탐지 가능성은 입증됨.
• 운동 아티팩트 억제 덕분에, 이전에는 눈 맥박과 미세운동으로 인해 가려졌던 간상세세포 반응이 신뢰성 있게 탐지됨.
• 횡방향 이동 맵이 생성되어, 다양한 망막 위치에서 수용체 세포와 간상세세포 간의 기능적 연결 고리가 시각화됨.
• 관찰된 내재된 광학 신호는 이온 유입에 의해 유도된 삼투적 부피 변화를 기반으로 한 이론적 모델로 설명되었으며, 활성화된 세포에서 축방향 길이가 약 10% 증가할 것으로 예측됨.
• 이 방법은 세포 수준에서 인간 망막의 비침습적 기능적 영상 촬영이 가능하게 하며, 중추신경계(CNS) 질환의 조기 진단에 잠재적 응용 가능성이 있음.