최근, 베이징대학 청허핑, 왕아이민 팀은 베이징정보과학기술대학 우룬룽팀과 연합하여 다색 마이크로화 쌍광자 현미경 (FHIRM-TPM 3.0) 을 성공적으로 연구 제작하여 자유 활동 쥐의 다색, 심뇌, 다자도 신경 영상을 실현하여 복잡한 뇌 기능 메커니즘을 디코딩하는 데 새로운 도구를 제공하였다.관련 연구논문'A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging'은 Nature Methods에서 온라인으로 발표돼 같은 기간 Research Briefing에 소개됐다.

논문 온라인 캡처

10년 동안 칼을 갈고, 4대"뇌과학 이기"를 만들다

뇌는 자연계에서 가장 복잡하고 정교한"소우주"로서 수백억의 뉴런과 수백조원의 신경시냅스가 협동하여 운행한다.어떻게 자유롭게 활동하는 생명체에서 뉴런과 시냅스 활동의 동태 변화를 정확하게 포착할 것인가는 뇌과학 연구의 핵심 난제이다.

2014년 청허핑 원사는 국가 중대 기기 장비 프로젝트"초고시공 분별 미형화 쌍광자 재체 현미경 영상 시스템"을 주도하여 10여 년에 걸쳐 네 차례의 기술 교체를 완성했다:

01 자연 방법,2017

2017년에 1세대 2.2그람의 미형화쌍광자현미경을 연구제작하여 처음으로 자유활동생쥐의 신경시냅스가 뚜렷하고 안정적인 기능영상을 실현하였다.

02 자연 방법, 2021

2021년 2세대 시스템은 시야를 7.8배 넓히고 3차원 이미징 능력을 갖췄다.

03 자연 방법, 2023

2023년 3세대 시스템은 삼광자 형광 영상 원리를 채택하여 심뇌리 마구의 무개입 관측을 실현한다.

04 자연 방법, 2025

차세대 미형화 쌍광자 현미경은 다색 자극, 심뇌 관측, 척도 간 영상 등 세 방향에서 동시에 중요한 진전을 이룩했다.

3색 생방송 두뇌 활동

그동안 공심 광자결정 광섬유는 단일 파장의 레이저 전송만 지원해 다색 영상 능력을 제한했다.팀은 700-1060 나노미터 초광대역 반공명 공심 광섬유를 연구 제작하여 저손실, 저색산, 저굴곡 손실의 다파장 비초 펄스 레이저 전송을 실현하였다.알츠하이머병 모델 생쥐 연구에서 뉴런 칼슘 신호, 미토콘드리아(세포기) 칼슘 신호 및 뇌 아밀로이드 플라크가 퇴적된 3색 동시 영상을 얻었고, 질병 초기의 미토콘드리아 칼슘 동력학적 이상을 발견했다.

비디오 1. 알츠하이머 모델 쥐 뉴런 칼슘 신호 (빨간색), 미토콘드리아 칼슘 신호 (녹색) 및 아밀로이드 플라크 (파란색) 의 3D 재구성 이미지

심뇌 영상: 850 마이크로미터 피질 투시

정밀 광학 설계를 통해 전체 시스템에 대해 색차, 구차 교정을 진행하고 광학 시스템 설계를 최적화하여 차세대 시스템은 쥐의 대뇌 피질에서 850마이크로미터 깊이가 넘는 뉴런 칼슘 신호와 구조 영상을 획득하여 이전의 미형화 쌍광자 현미경 영상 깊이보다 3배 이상 높아졌다.

비디오 2. Thy1-YFPH 유전자 변형 생쥐 대뇌 피질 854 마이크로미터 깊이 3D 영상 재구성

시야 전환: 스케일 간 이미지 생성

팀은 고해상도, 고성능, 대시장 세 가지 빠르게 전환할 수 있는 초점 렌즈를 설계하여 대시장 관측과 고해상도 정밀 영상의 빈틈없는 전환을 실현하여 100마이크로미터에서 밀리미터까지 10배 척도의 영상을 실현하였다.

영상3. (왼쪽) FHIRM-TPM 3.0 고해상도 프로브는 운동피질의 뉴런 (붉은색) 과 뉴런 내 미토콘드리아의 공간 분포 (녹색) 2색 영상 재건을 실현한다.(오른쪽) FHIRM-TPM 3.0 대시야 프로브 자유활동 생쥐 전두엽 피질 450개 뉴런의 영상 구현

연구팀

이 논문의 공동 제1저자는 베이징정보과학기술대학 교수 오윤룡 (당시 베이징대학 미래기술학원 특별초빙 부연구원), 베이징대학 미래기술학원 보조연구원 조춘죽, 박사연구생 구산;공동통신저자는 북경대학 정평화, 왕애민과 북경정보과학기술대학 오윤룡이다.프로젝트는 과학기술혁신 2030-"뇌과학과 류뇌연구"중대프로젝트, 국가자연과학기금위원회, 국가중대과학연구기기연구제작전문항목, 과학기술부 중점연구개발계획 등 경비지원을 받았다.

[참고문헌]

Wu, R., Zhao, C., Qiu, S.등. 다색 깊은 뇌 이미징을 가능하게 하는 다재다능한 소형 2 광자 현미경.Nat Methods (2025).https://doi.org/10.1038/s41592-025-02780-6