[논문 리뷰] Functional optoacoustic neuro-tomography (FONT) for whole-brain monitoring of calcium indicators

Gali Sela, Antonella Lauri외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 11.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging참고 문헌 24인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 실시간으로 다중 스펙트럼 옵토압성 영상 촬영 플랫폼인 기능적 옵토압성 신경단층촬영(FONT)을 소개한다. 이 플랫폼은 70 μm 이하의 공간 해상도와 1초당 100个体 프레임의 속도로 살아있는 점액어리개의 전체 뇌에서 칼슘 동역학을 모니터링할 수 있으며, 조직 내 빛 산산조각 내림을 극복하기 위해 옵토압성 검출와 유전자로 발현된 칼슘 지표물질(GCaMP5G)을 조합하여 비침습적이고 깊은 조직까지의 신경 활동 기능 영상 촬영을 가능하게 한다. 이는 고정된 상태이든 자유롭게 수영하는 유생이든 모두 적용 가능하다.

ABSTRACT

Non-invasive observation of spatiotemporal neural activity of large neural populations distributed over entire brains is a longstanding goal of neuroscience. We developed a real-time volumetric and multispectral optoacoustic tomography platform for imaging of neural activation deep in scattering brains. The system can record 100 volumetric frames per second across a 200mm3 field of view and spatial resolutions below 70um. Experiments performed in immobilized and freely swimming larvae and in adult zebrafish brains demonstrate, for the first time, the fundamental ability to optoacoustically track neural calcium dynamics in animals labeled with genetically encoded calcium indicator GCaMP5G, while overcoming the longstanding penetration barrier of optical imaging in scattering brains. The newly developed platform offers unprecedented capabilities for functional whole-brain observations of fast calcium dynamics; in combination with optoacoustics' well-established capacity in resolving vascular hemodynamics, it could open new vistas in the study of neural activity and neurovascular coupling in health and disease.

연구 동기 및 목표

• 높은 시공간 해상도로 살아있는 동물의 전체 뇌에서 신경 활동을 비침습적으로 모니터링할 수 있도록 하는 것.
• 산산조각 내림이 심한 뇌 조직에서 전통적인 광학 현미경의 침투 깊이 제한을 극복하는 것.
• 유전자로 발현된 지표물을 사용하여 빠른 칼슘 동역학을 추적할 수 있는 실시간 부피 영상 촬영 시스템을 개발하는 것.
• intact 뇌에서 신경 활동과 혈류역학을 동시에 모니터링할 수 있는 기능적 옵토압성 단층촬영을 구현하는 것.

제안 방법

• 시스템은 조직에서 빛에 의해 유도된 음향파를 감지하기 위해 다중 스펙트럼 옵토압성 단층촬영(MSOT)을 사용하여 깊은 조직 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 유전자로 발현된 칼슘 지표물질인 GCaMP5G는 뉴런에서 신경 활동에 따라 형광 변화를 보여주기 위해 사용된다.
• 맞춤형 옵토압성 프로브와 배열된 초음파 감지기로 200 mm³의 시야를 1초당 100개의 부피 프레임으로 스캔한다.
• 스펙트럼 분리 기법을 적용하여 칼슘 지표물질과 헤모글로빈과 같은 내재된 색소의 신호를 분리한다.
• 실시간 영상 재구성 및 데이터 처리 기능을 통합하여 신경 집단의 동적 모니터링을 가능하게 한다.
• 실제 생체 내 기능 성능 평가를 위해 고정된 상태와 자유롭게 수영하는 점액어리개 유생 모두에서 영상 촬영을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산산조각 내림이 심한 조직에서 강한 빛 산산조각 내림에도 불구하고 옵토압성 단층촬영이 살아있는 점액어리개의 전체 뇌에서 실시간으로 부피 영상 촬영을 통해 칼슘 동역학을 추적할 수 있는가?
• RQ2 심부 뇌 부위에서 신경 활동 지ap핑을 위해 옵토압성 영상 촬영이 달성할 수 있는 공간 해상도와 시간 해상도는 어느 정도인가?
• RQ3 정상 상태의 살아있는 뇌에서 시스템은 동시에 신경 칼슘 신호와 혈류역학 변화를 해석할 수 있는가?
• RQ4 산산조각 내림 조직에서 전통적인 광학 방법에 비해 FONT 플랫폼의 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 고정밀도로 빠른 신경 동역학을 자유롭게 움직이는 생물체에서 MSOT를 사용해 추적하는 것이 가능한가?

주요 결과

• FONT 플랫폼는 200 mm³의 시야에서 1초당 100프레임의 부피 영상 촬영 속도를 달성한다.
• 공간 해상도는 70 μm 이하로, 신경 집단 활동의 세밀한 지도화를 가능하게 한다.
• 고정된 상태와 자유롭게 수영하는 점액어리개 유생의 뇌에서 GCaMP5G를 발현한 뉴런의 칼슘 동역학이 성공적으로 추적되었다.
• 시스템은 산산조각 내림 조직에서의 광학 영상의 침투 장벽을 극복하여 깊은 조직의 기능 영상 촬영을 가능하게 하였다.
• 동시에 신경 칼슘 신호와 혈류역학 반응을 해석함으로써 신경혈관 결합 연구를 뒷받침하였다.
• 이 연구는 실시간으로 전체 뇌에서 유전자로 발현된 칼슘 지표물질을 모니터링한 최초의 사례이다.