확장 지원 선택적 평면 조명 현미경을 이용한 센티미터 규모 조직의 나노스케일 이미징

Core Concepts

확장 지원 선택적 평면 조명 현미경(ExA-SPIM)은 센티미터 규모의 조직을 나노스케일 해상도로 이미징할 수 있는 새로운 현미경 기술이다.

Abstract

이 논문은 확장 지원 선택적 평면 조명 현미경(ExA-SPIM)이라는 새로운 현미경 기술을 소개한다. ExA-SPIM은 나노스케일 해상도로 센티미터 규모의 조직을 이미징할 수 있다.

주요 내용은 다음과 같다:

1. ExA-SPIM 현미경의 광학 설계: 전자 계측 산업에서 개발된 대구경 렌즈와 대형 CMOS 센서를 활용하여 넓은 시야와 긴 작동 거리를 가지면서도 높은 해상도를 달성했다.

2. 센티미터 규모 조직 팽창 기술: 조직을 3-4배 팽창시켜 나노스케일 구조를 가시화할 수 있도록 했다. 특히 마우스 뇌, 영장류 운동 피질, 인간 시각 피질 등 다양한 대형 조직에 적용했다.

3. 응용 사례: ExA-SPIM을 이용해 마우스 뇌 전체에서 개별 뉴런의 축삭 구조를 고해상도로 이미징하고, 영장류와 인간 뇌 조직의 신경 섬유를 가시화했다.

이 기술은 생물학과 의학 분야에서 대규모 조직의 미세 구조를 연구하는 데 활용될 수 있다.

Stats

마우스 뇌 전체를 15개의 타일로 이미징할 수 있다.
3배 팽창된 조직에서 0.33 μm의 횡방향 및 1 μm의 축방향 해상도를 달성했다.
초당 946메가볼륨의 이미징 속도를 달성했다.

Quotes

"ExA-SPIM은 나노스케일 해상도로 센티미터 규모의 조직을 이미징할 수 있는 새로운 현미경 기술이다."
"ExA-SPIM을 이용해 마우스 뇌 전체에서 개별 뉴런의 축삭 구조를 고해상도로 이미징할 수 있었다."

Key Insights Distilled From

Expansion-assisted selective plane illumination microscopy for nanoscale imaging of centimeter-scale tissues

by Glaser,A., C... at www.biorxiv.org 06-09-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.08.544277v4

Deeper Inquiries

ExA-SPIM 기술을 이용해 인간 뇌 전체를 이미징하는 것은 어떤 과학적, 의학적 의미를 가질 수 있을까?

ExA-SPIM 기술을 사용하여 인간 뇌 전체를 이미징하는 것은 매우 중요한 과학적 및 의학적 의미를 갖습니다. 뇌는 우리의 인지 능력, 감정, 운동 기능 등을 조절하는 중요한 기관이며, 뇌의 구조와 기능을 이해하는 것은 인간의 건강과 질병에 대한 통찰력을 제공합니다. 인간 뇌의 전체적인 이미징은 뇌의 다양한 영역 간의 연결과 상호작용을 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 질병의 원인과 발전 메커니즘을 밝히는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 또한, 인간 뇌의 전체 이미징은 뇌 해부학, 신경과학, 인공지능, 인지과학 등 다양한 분야에서의 연구에 혁신적인 통찰력을 제공할 수 있습니다.

ExA-SPIM 기술의 한계는 무엇이며, 이를 극복하기 위한 방법은 무엇일까?

ExA-SPIM 기술의 한계 중 하나는 신호 광자의 효율적인 수집이 어렵다는 점입니다. 높은 NA를 사용하는 시스템에 비해 신호 수집이 10배 낮기 때문에 미세한 생물학적 특징을 감지하고 높은 신호 대 잡음 비율로 이미징하는 데 어려움이 있을 수 있습니다. 이를 극복하기 위한 방법으로는 더 높은 NA를 가진 커스텀 렌즈를 사용하거나 더 높은 감도를 제공하는 카메라 기술을 적용하는 것이 있습니다. 또한, 더 높은 레이저 강도를 사용하여 더 높은 신호 대 잡음 비율로 이미징할 수 있습니다.

ExA-SPIM 기술을 다른 생물학 및 의학 분야에 어떻게 응용할 수 있을까?

ExA-SPIM 기술은 다양한 생물학 및 의학 분야에 응용될 수 있습니다. 예를 들어, 면역세포와 고형 종양 간의 상호작용을 초해상도로 시각화하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 응용은 10배 확대를 통해 100 nm 미만의 효과적인 해상도로 면역세포와 종양세포의 상호작용을 구별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, ExA-SPIM 기술은 대량의 조직 슬라이스를 이미징하는 데 적합하며, 이를 통해 인간 및 비인간 원숭이 뇌의 백질축을 매핑하는 등의 연구에 활용될 수 있습니다. 이러한 응용은 기존의 슬라이싱 및 영상 재구성 방법보다 더 빠르고 효율적인 결과를 제공할 수 있습니다.