내인성 광신호 이미징 (intrinsic optical signal imaging (IOS))

뇌과학·신경과학 측정·도구

한 줄 정의: 외부 염료나 형광 표지 없이 신경 활동에 동반되는 혈류량, 혈액 산소포화도, 조직 산란 특성의 변화가 만들어내는 빛 반사율 차이를 카메라로 촬영해 뇌 기능 지도를 그리는 비침습적 광학 이미징 기법.

쉽게 풀면

내인성 광신호 이미징은 아무런 염료나 유전자 조작 없이도 뇌 활동을 볼 수 있는 방법입니다. 어떤 뇌 영역이 활발히 활동하면 그 부위로 혈류가 늘어나고 혈액 속 산소 농도가 바뀌는데, 이런 변화는 조직이 빛을 반사하는 정도를 미묘하게 바꿉니다. 이 아주 작은 반사율 변화를 민감한 카메라로 촬영하면, 뇌의 어느 부위가 특정 자극이나 행동에 반응해서 활성화되는지 지도를 그릴 수 있습니다. fMRI가 이용하는 혈류-산소 신호(BOLD)와 원리가 비슷하지만, 이 방법은 직접 뇌 표면을 촬영한다는 차이가 있습니다.

왜 중요한가

외인성 표지나 형광 유전자 조작 없이도 넓은 뇌 영역의 기능 지도를 그릴 수 있다는 점에서, 이 기법은 시각피질이나 체성감각피질처럼 넓은 영역에 걸친 기능 지형(functional map)을 연구하는 감각계 신경과학의 표준 도구로 자리 잡았습니다. 살아있는 동물의 뇌 표면을 반복적으로 관찰할 수 있어 발달 과정이나 학습에 따른 지도의 변화를 추적하는 종단 연구에도 활용됩니다. 또한 비교적 접근이 쉬운 장비로 구현할 수 있어 다른 이미징 기법과 결합해 사용되는 경우도 많습니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"내인성 광신호 이미징을 이용하여 시각피질에서 방향 선택성 지도를 시각화하였다."

염료 없이 혈류 관련 반사율 변화만으로 시각피질에서 특정 방향에 반응하는 영역들의 배치를 지도로 그렸다는 뜻이다.

"체성감각피질에서 내인성 광신호 이미징으로 촉각 자극에 반응하는 배럴 영역의 경계를 확인하였다."

설치류 연구에서는 수염 자극에 반응하는 체성감각피질의 특정 영역(배럴)의 위치와 범위를 이 기법으로 확인하는 경우가 흔합니다.

"내인성 광신호 이미징과 두개골을 얇게 갈아낸 창(thinned-skull window)을 병용하여 만성적으로 반복 촬영이 가능한 실험 설계를 구성하였다."

같은 동물을 여러 날에 걸쳐 반복 촬영해야 하는 종단 연구에서는 두개골을 손상시키지 않는 관찰창과 이 기법을 함께 사용한다는 것을 보여줍니다.

조금 더 깊게 보면

내인성 광신호는 단일한 원인이 아니라 혈류량 변화, 혈액 내 산화/탈산화 헤모글로빈 비율 변화, 세포 부피 변화로 인한 빛 산란 특성 변화가 뒤섞여 만들어지며, 이 여러 성분은 자극 후 서로 다른 시간대에 우세하게 나타납니다. 그래서 어떤 파장의 빛으로 촬영하느냐에 따라 반영되는 생리적 성분의 비중이 달라지고, 여러 파장을 조합해 촬영하면 혈류와 산소 대사 변화를 어느 정도 구분해낼 수도 있습니다. fMRI의 BOLD 신호와 마찬가지로 신경 활동을 혈류 반응이라는 간접 지표를 통해 추정하는 방식이므로, 신경 발화 자체를 직접 반영하는 전기생리학적 기록과는 해석에 차이가 있습니다.

주의할 점

신호가 신경 활동 자체보다 혈류 반응에 의존하므로 시간해상도가 상대적으로 느리며, 더 빠른 전기적 신호를 보려면 전압민감염료 이미징이 필요하다.