[논문 리뷰] Optogenetic signaling-pathway regulation through scattering skull using wavefront shaping

Jonghee Yoon, Minji Lee외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 17.

Random lasers and scattering media참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 산란되는 마우스 두개골 조직을 통해 빛을 집중시키기 위해 웨이브프론트 샤피닝을 사용하는 비침습적 광유전자 기법을 제시한다. 이는 개별 뉴런 내 칼슘 농도를 정밀하게 시공간적으로 제어할 수 있게 한다. 공간 광학 조절 장치를 사용해 입사 빛의 파면을 조절함으로써 산란을 극복하고, 두개절개 수술 없이도 세포를 정확하게 활성화할 수 있다.

ABSTRACT

We introduce a non-invasive approach for optogenetic regulation in biological cells through highly scattering skull tissue using wavefront shaping. The wavefront of the incident light was systematically controlled using a spatial light modulator in order to overcome multiple light-scattering in a mouse skull layer and to focus light on the target cells. We demonstrate that illumination with shaped waves enables spatiotemporal regulation of intracellular Ca2+ level at the individual-cell level.

연구 동기 및 목표

• 산란성이 높은 두통골 조직을 통해 뇌에서 비침습적 광유전자 제어 방법을 개발하기 위해.
• 뇌 깊은 조직에 대한 광학적 접근을 제한하는 두개골 내 빛 산란 문제를 극복하기 위해.
• 웨이브프론트 샤피닝 기법을 사용해 광유전자 자극 시 세포 소형 해상도를 달성하기 위해.
• 수술적 간섭 없이 개별 뉴런 내 세포 내 칼슘 동역학을 시공간적으로 제어할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 두개골에 의해 유도된 광학적 비수율을 보완하기 위해 공간 광학 조절 장치(SLM)를 사용해 입사 레이저 빛의 파면을 조절하였다.
• 강한 다중 산란에도 불구하고 레이저 빛을 마우스 두개골을 통과시켜 목표 뉴런에 집중시켰다.
• 광유전자 리포터에서 검출된 형광을 기반으로 피드백 루프를 사용해 웨이브프론트 샤피닝을 반복적으로 최적화하였다.
• 이 방법은 손상되지 않은 두개골 조직을 통해 뇌 깊은 곳에 위치한 개별 세포에 정밀하게 빛을 집중시킬 수 있게 하였다.
• 광유전자 활성화를 평가하기 위해 유전자로 조절된 칼슘 지표를 사용해 세포 내 칼슘 농도를 모니터링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 웨이브프론트 샤피닝이 산란성이 높은 두개골을 통해 비침습적 광유전자 자극을 위한 효과적인 빛 집중을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 손상되지 않은 두개골 조건에서 웨이브프론트로 조절된 빛의 공간 해상도와 목표 지정 정확도는 어떠한가?
• RQ3 형광 조절된 빛이 두개골을 통과하여 생체 내에서 개별 뉴런을 신뢰적이고 반복 가능한 방식으로 활성화할 수 있는가?
• RQ4 신호 대 잡음비와 초점 강도 측면에서 웨이브프론트 샤피닝은 전통적인 광학 방법에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 웨이브프론트 샤피닝은 마우스 두개골을 통해 빛을 효과적으로 집중시켜 개별 뉴런에 대한 표적 광유전자 자극을 가능하게 하였다.
• 이 방법은 손상되지 않은 두개골 조직을 통해 단일 세포 수준에서 세포 내 칼슘 농도의 시공간적 제어를 달성하였다.
• 비형광 조명에 비해 목표 부위에서 초점 빛 강도가 크게 향상되어 자극 효율성이 향상되었다.
• 강한 산란 성질을 지닌 두개골에도 불구하고 이 방법은 높은 공간 해상도와 특이성을 유지하였다.