하어드 휴스 의학 연구소(Howard Hughes Medical Institute`s Janelia Research Campus)가 개발한 새로운 도구로 동물의 뇌에 빛을 조사하여 특정 시간에 활성화되는 신경을 영구적으로 표시할 수 있게 되었다. 이 CaMPAR이라고 하는 형광단백질 도구는 신경 세포의 발화 후, 칼슘이 신경 세포로 쇄도하면 녹색에서 적색으로 전환된다. 이 영구적 표식은 신경 활성(neuronal activity)의 관찰을 위해 정확한 때에 정확한 세포가 현미경의 초점에 잡히지 않아도 되게 한다.
GcaM으로 불리는 칼슘 감수성 형광분자(Calcium-sensitive fluorescent molecules)는 신경활성을 알리는 형광 시그널을 방출하여, 신경 네트워크의 역동성의 추적에 유용하다. 그러나 이 신호는 일시적이어서, 현미경이 뇌의 정확한 지점에 초점이 맞추어지지 않아 그 신호를 놓치게 되면, 그 정보는 소실된다. CaMPARI(calcium-modulated photoactivatable ratiometric integrator, 칼슘 의존적 광활성화가능 비율척도 적분기)를 이용하면 제한된 영역의 현미경 시야를 넘어, 뇌 조직의 광범위 주파수에 걸쳐 신경활성에 대한 스냅샷(snapshot)을 포착으로 신경활성의 가시화가 가능하다. 또한 이 새로운 도구는 이전의 칼슘 지표보다 더 복잡한 행위 동안의 신경 활성의 가시화를 가능케 하는데, 그 이유는 많은 경우, 제한된 시험 접시나 아가(agar)에 박힌 상태보다는 오히려 동물이 자유롭게 움직이는 동안에도 이 도구가 이용될 수 있기 때문이다.
이 도구의 가장 특별한 능력은 실험 동안 현미경 하에 실험 대상 유기체가 놓여 있어야 할 필요가 필요가 없는 것일 수도 있다는 것이 루거 (Loren Looger) 박사의 말인데, 그는 이 그룹의 리더이자 단백질 화학자이다. 따라서 이제는 플레이트(plate) 위를 기어 다니는 초파리 유생이나 접시 안에서 헤엄치는 어류에서의 신경활성의 가시화가 가능하다고 한다.
이 연구팀은 CaMPARI 그리고 초파리의 활성 신경 회로를 안정적으로 표식하는 이 단백질의 능력에 대한 연구 결과를 학술지 Science 의 2월 13일 발간 호에 보고했다. 이 연구팀은 CaMPARI를 만들기 위해서, 에오스(Eos)로 불리는 형광단백질로 출발했다. 에오스는 자색(violet) 광에 노출될 때까지는 녹색 형광을 방출하는데, 자색 광은 이 단백질을 영구적으로 변화시켜 적색 형광을 발하게 한다. 그것은 완벽한 출발점이었다고 한다. 녹색에서 적색으로의 전환이 영구적 시그널을 제공한다는 것이다. 그래서 이 연구팀이 해야 할 한 가지는 그러한 전환을 세포에서 진행되는 활성과 연결시키는 일이었다. 그것을 위해, 캘모듈린(calmodulin)이라는 칼슘 감수성 단백질과 통합시켜, 신경활성에 수반되는 칼슘의 방출(burst)에 의존적으로 색 변화가 일어나게 만들어졌다. 칼슘 반응성의 GcaMP 센서(calcium-responsive GCaMP sensors)를 만들기 위해, 형광단백질에 부가된 것과 같은 도메인이 이용되었다고 한다.
이 연구팀은 일련의 실험으로 CaMPARI의 유효성(effectiveness )을 확인했다. 한 세트의 실험에서 배양접시에서 수영하는 10초 동안 제브라피쉬의 뇌 전체 영역에 걸쳐 신경활성에 대한 스냅샷을 포착했다. 이 실험에서, CaMPARI는 전기생리적 실험으로 다른 연구자들이 관찰했던 것과 일관성 있게 예측된 세트의 뉴런들은 물론, 수영에 관여하는 것으로 알려진 모터 뉴런들에서 적색이 관찰되었다. 그리고, 그 활성화 양상은 물의 온도나 요동(turbulence)의 변화에 따라 유의적으로 변했다.
초파리에서 CaMPARI의 이용으로 특정 냄새에 반응하여 활성화되는 뉴런들이 확인되었다. 이 경우도 마찬가지로, 관찰 결과는 선행 실험들에 근거하여 예측된 것과 같았다. 즉, CaMPAR 시그널은 초파리에서 서로 다른 냄새는 다른 세트의 뉴런을 활성화시킨다는 것을 시사했다. 연속된 세트의 실험에서 연구팀은 냄새에 대한 직접적 반응하는 뉴런들을 활성화시켜, 뇌의 다른 곳들에서 연속적으로 적색으로 바뀌는 뉴런들을 관찰했다. 이들 실험에서 후각 회로의 제2의 제3의 심지어는 제4의 요소로 보이는 뉴런들이 드러났다고 한다. 한 뉴런에서 다음 뉴런으로 이어지는 회로를 추적하는 일은 현미경 하에서는 어려운데, 이는 세포의 돌출 (projections) 그리고 다른 세포들에로의 연결들이 현미경의 관찰 시야의 너머까지 확장되기 때문이다.
