간단한 조명 트릭으로 미세한 디테일로 숨겨진 뇌 경로를 밝혀내다

전산 산란광 이미징은 마이크로미터 분해능으로 조직 섬유의 방향과 조직을 보여줍니다. 색상은 다양한 섬유 방향을 나타냅니다. 출처: Marios Georgiadis

인체의 모든 조직에는 기관의 움직임, 기능, 소통을 조절하는 데 도움이 되는 매우 작은 섬유들이 있습니다. 근섬유는 물리적인 힘을 담당하고, 장섬유는 소화관의 움직임을 지원하며, 뇌섬유는 여러 부위가 정보를 교환할 수 있도록 전기 신호를 전달합니다. 이처럼 복잡한 섬유 시스템들은 각 기관의 구조를 형성하고 제대로 기능하도록 돕습니다.

많은 질병이 이러한 섬세한 신경망을 손상시킵니다. 뇌에서는 거의 모든 신경 질환에서 섬유 연결 손상이 나타나며, 이는 신경 전달에 변화를 일으킵니다.

이러한 미세 구조는 필수적인 역할을 하지만, 오랫동안 연구하기 어려운 과제였습니다. 연구자들은 섬유가 조직 내에서 어떻게 배열되어 있는지 파악하는 데 어려움을 겪었고, 이로 인해 섬유가 건강과 질병에 따라 어떻게 변화하는지 완전히 이해하기 어려웠습니다.

숨겨진 미세 구조를 드러내는 간단한 방법

신경영상학 강사인 마리오스 조지아디스 박사가 이끄는 연구팀은 이제 보기 힘든 섬유 패턴을 매우 선명하게, 그리고 비교적 저렴한 비용으로 볼 수 있는 방법을 도입했습니다.

Nature Communications 에 발표된 이 기술은 계산 산란광 이미징(ComSLI)으로 알려져 있습니다. 이 기술은 염색이나 보존 방식에 관계없이 거의 모든 조직학 슬라이드에서 조직 섬유의 방향과 조직을 마이크로미터 단위의 분해능으로 밝혀낼 수 있으며, 슬라이드가 수십 년 된 것이라 하더라도 마찬가지입니다.

영상의학과 교수인 마이클 제이네 박사는 제이네 연구실의 전 방문 학자였던 미리엄 멘젤 박사와 공동 선임 저자로 참여했습니다.

조지아디스는 "조직 구조에 대한 정보는 항상 존재하며, 눈에 잘 띄지 않게 숨겨져 있었습니다."라고 말했습니다. "ComSLI는 그 정보를 보고 지도로 나타낼 수 있는 방법을 제공합니다."

ComSLI가 파이버 방향을 매핑하는 방법

기존의 영상 기법에는 상당한 한계가 있습니다. MRI는 큰 해부학적 네트워크를 강조할 수 있지만, 미세한 세포 구조는 포착할 수 없습니다. 조직학 기술은 특수 염색, 최첨단 장비, 그리고 세심하게 보존된 샘플을 필요로 하는 경우가 많지만, 섬유 교차를 명확하게 묘사하는 데는 여전히 어려움을 겪습니다.

ComSLI는 기본적인 물리 원리에 기반합니다. 빛이 미세 구조에 부딪히면 구조의 방향에 따라 서로 다른 방향으로 산란됩니다. 광원을 회전시키고 산란 신호가 어떻게 변하는지 기록함으로써, 연구자들은 이미지의 각 픽셀 내 섬유의 방향을 재구성할 수 있습니다.

이 방법은 회전 LED 조명과 현미경 카메라만 필요하기 때문에 다른 첨단 현미경에 비해 설치가 간편합니다. 이미지가 수집되면 소프트웨어가 산란광의 섬세한 패턴을 분석하여 섬유 방향과 밀도의 색상으로 구분된 지도를 생성합니다. 이를 미세구조 기반 섬유 방향 분포라고 합니다.

ComSLI는 검체 준비에 제한을 받지 않습니다. 포르말린 고정, 파라핀 포매 절편(병원 및 병리과 검사실의 표준)은 물론 신선 동결, 염색 또는 무염색 슬라이드에도 사용할 수 있습니다.

과학자들은 수십 년 동안 보관된 슬라이드라 하더라도 원래 관련 없는 프로젝트를 위해 만들어진 슬라이드를 다시 검토하여 샘플을 변경하지 않고도 새로운 구조적 통찰력을 얻을 수 있습니다.

"이건 어떤 실험실에서든 사용할 수 있는 도구입니다."라고 제이네는 말했다. "특별한 준비 과정이나 값비싼 장비가 필요하지 않습니다. 제가 가장 기대하는 점은 이 접근 방식이 소규모 연구실부터 병리학 실험실까지 누구에게나 이미 가지고 있는 슬라이드에서 새로운 통찰력을 발견할 수 있는 문을 열어준다는 것입니다."

신경 미세 구조와 질병 매핑

신경과학의 주요 목표 중 하나는 뇌의 미세 경로를 높은 정밀도로 도표화하는 것이었습니다. 조지아디스와 동료들은 ComSLI를 사용하여 포르말린 고정 및 파라핀 포매된 인간 뇌 절편과 표준 크기 슬라이드를 시각화하여 조직 전체의 상세한 섬유 구조를 확인했습니다.

또한 그들은 이러한 섬유가 다발성 경화증, 백질뇌병증, 알츠하이머병과 같은 신경학적 상태에서 어떻게 변화하는지 조사했습니다.

연구팀은 기억 형성과 회상에 중요한 역할을 하며 신경퇴행성 질환 초기 단계에 흔히 영향을 받는 뇌 심부 영역인 해마에 초점을 맞췄습니다. 알츠하이머병 환자의 해마 단면과 건강한 사람의 해마 단면을 비교한 결과, 구조적 손상이 뚜렷하게 관찰되었습니다. 해마의 여러 ​​영역을 연결하는 데 중요한 역할을 하는 신경섬유 교차점이 크게 줄어들었고, 기억 관련 신호를 해마로 전달하는 주요 경로인 관통 경로(perforant pathway)는 거의 보이지 않았습니다. 반면, 건강한 해마는 전체 영역에 걸쳐 조밀하고 상호 연결된 신경섬유망을 보여주었습니다. 이러한 상세한 지도를 통해 연구자들은 질병이 진행됨에 따라 기억 회로가 어떻게 파괴되는지 확인할 수 있습니다.

연구진은 이 방법의 한계를 시험하기 위해 1904년에 제작된 뇌 조직 단면을 분석했습니다. 100년이 지난 이 표본에서도 ComSLI는 복잡한 섬유 패턴을 식별해냈고, 이를 통해 과학자들은 과거의 표본을 연구하고 질병의 여러 세대에 걸쳐 구조적 특징이 어떻게 진화하는지 탐구할 수 있었습니다.

뇌를 넘어선 응용 분야

ComSLI는 원래 뇌 연구를 위해 설계되었지만 다른 조직에서도 잘 작동합니다. 연구팀은 이를 사용하여 근육, 뼈 및 혈관 샘플을 연구했으며, 각 샘플에서 생물학적 기능과 관련된 고유한 섬유 배열을 발견했습니다.

혀 근육에서는 이 방법이 움직임과 유연성과 관련된 섬유의 층상 배열을 보여주었습니다. 뼈에서는 기계적 스트레스에 따라 정렬되는 콜라겐 섬유를 포착했습니다. 동맥에서는 강도와 탄력성을 모두 지탱하는 콜라겐과 엘라스틴 층이 교대로 나타나는 것을 보여주었습니다.

종, 장기, 그리고 보존된 표본 전반에 걸쳐 섬유 방향을 매핑할 수 있는 이 능력은 과학자들이 구조와 기능을 연구하는 방식을 크게 바꿀 수 있습니다. 또한 이는 전 세계에 보관된 수백만 개의 슬라이드에 아직 활용되지 않은 미세 구조 정보가 담겨 있을 수 있음을 의미합니다.

"저희가 이 방법을 발표한 지 얼마 되지 않았지만, 벌써부터 샘플 스캔 및 ComSLI 설정 복제 요청이 쇄도하고 있습니다. 많은 연구실과 병원에서 조직학적 단면에서 마이크론 해상도의 섬유 방향 및 미세 연결 정보를 얻고 싶어 합니다."라고 게오르기아디스 교수는 말했습니다. "또 다른 흥미로운 계획은 잘 알려진 뇌 기록 보관소나 유명인의 뇌 단면을 다시 분석하여 이 미세 연결 정보를 복원하고 오랫동안 사라졌다고 여겨졌던 '비밀'을 밝혀내는 것입니다. 이것이 바로 ComSLI의 장점입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251209043040.htm