전기생리학은 생물학적 시스템(특히, 뉴런과 근육 세포와 같은 여기 가능한 세포) 내 전기적 특성과 활동을 연구하는 학문입니다. 이 학문은 이러한 세포가 생성한 전기적 신호를 측정, 기록, 분석하여 궁극적으로 이들의 기능과 상호 작용에 대한 인사이트를 제공합니다.
이 게시물에서는 전기생리학의 역사, 미래, 여러 분야의 실험 기술에서 활용되는 방식 등을 자세히 알아보겠습니다.
전기생리학의 역사
전기생리학 분야는 18세기와 19세기로 거슬러 올라가는 긴 역사를 갖고 있습니다. 이 분야는 살아 있는 유기체의 전기적 특성에 대한 유의미한 최초의 발견에서 시작되었습니다.
논란의 여지는 있지만 18세기 후반 이탈리아 의사 Luigi Galvani가 수행한 실험은 가장 획기적인 실험 중 하나였습니다. 이 실험에서 Galvani는 다른 금속 물체와 접촉한 상태에서 금속 기구가 닿으면 개구리의 근육이 수축되는 것을 관찰했습니다.2
그는 이것을 “동물 전기”의 증거로 해석했으며, 이 개념은 생체 전기 현상을 전반적으로 이해하는 데 기여했습니다. Galvani의 실험과 같이 초기 전기생리학 활동은 이 분야의 현대적 연구를 위한 토대를 닦았으며, 이를 통해 살아 있는 유기체의 전기적 특성과 이를 연구하는 방법을 더 깊게 이해할 수 있게 되었습니다.
21세기로 접어들면서 과학자들은 단일 세포를 찾는 것이 매우 어려웠기 때문에 현장 기록에 크게 의존했습니다. 현미경이 등장하자 과학자들은 세포를 찾을 수 있었으며, 적외선 미분 간섭 대비(IR-DIC)와 같은 광학 설계 기술의 발달로 연구자들은 살아 있는 조직의 깊숙한 곳을 시각화할 수 있었습니다.
고속 카메라와 함께 사용할 경우 현미경 장치로 칼슘 이미징과 같은 방법을 통해 실시간으로 내부 세포의 동적 변화를 관찰할 수 있었습니다. 고정 스테이지 전기생리학 정립 현미경과 같은 솔루션부터 레이저 스캐닝 컨포컬 및 다광자 현미경과 같은 첨단 이미징 솔루션까지 다양한 솔루션이 이제 전기생리학 연구의 발전을 주도하며 혁신을 일으키고 있습니다.
H 라인 생쥐 뇌의 관상면, 청록색, DAPI(세포 핵), 녹색, YFP(뉴런), 노란색, Cy3 성상 세포, 자홍색, AlexaFluor 750(미세소관). 1K 공진 스캐너를 사용하여 스티칭된 이미지를 생성하는 경우 총 77개의 4채널 XYZ 지점(11 × 7)을 16분 이내에 획득했습니다(검류계 스캐너를 사용하는 경우 두 시간이 소요됨). 샘플 제공: Takako Kogure 및 Atsushi Miyawaki, Laboratory for Cell Function Dynamics, RIKEN CBS.
전기생리학의 활용
오늘날의 연구 환경에서 전기생리학은 심장학, 신경과학 등 여러 일반 분야에서 활용됩니다. 심장학에서 전기생리학이 가장 흔하게 사용되는 분야는 심전도(ECG) 검사입니다.
ECG는 심장의 전기 활동을 측정하고 기록하는 전기생리학적 진단 기기입니다. 피부에 부착된 전극은 심장 세포가 생성한 전기적 신호를 감지합니다. ECG는 심장 리듬, 심박수 및 전반적인 전기적 기능에 대한 귀중한 정보를 제공하므로 심혈관 질병의 진단 및 관리를 위한 필수적인 도구입니다.
신경과학의 경우 생리학은 뉴런의 전기적 특성(뉴런이 전기 신호를 생성하고 전송하는 방법 등)을 연구하는 데 흔히 사용됩니다.
패치 클램프 전기생리학의 두 가지 주요 접근 방식은 세포내 및 세포외 접근방식입니다. 세포내 전기생리학은 단일 세포 막 전반의 전위를 측정합니다. 이를 통해 세포 막 전위와 세포 활동 동안 발생하는 변화(예: 활동 전위)에 대한 상세한 정보를 얻을 수 있습니다.
막전위는 세포 막의 한쪽에 과도한 음전하 또는 양전하가 있을 경우 모든 세포에서 내재적으로 발생하는 특성입니다.1 활동 전위는 양전하 이온의 교환으로 인해 발생하는 뉴런 원형질막의 일시적이지만 대규모인 전기적 탈분극 및 재분극 현상을 말합니다.1
패치 클램프 기록은 개별 세포, 특히 뉴런의 전기적 활동을 연구하는 데 널리 사용됩니다. 이를 위해 완전한 밀폐를 위해 세포 막에 유리 마이크로피펫 전극을 부착하여 매우 정밀하게 막 전위의 변화를 측정합니다. 패치 클램핑은 전체 세포(whole-cell), 세포 부착(cell-attached), 인사이드아웃(inside-out) 또는 아웃사이드아웃(outside-out) 구성으로 수행할 수 있으며 각 구성은 저마다 다른 실험 목적에 적합합니다.
패치 클램프 기록 구성. (A) 세포 부착: 단일 채널의 전류 측정 지원. (B) 전체 세포: 세포 전체의 전류 측정 지원. (C) 인사이드아웃: 세포액 측이 바깥쪽을 향하고 있는 작은 패치 전반의 전류 측정을 지원. (D) 아웃사이드아웃: 세포외 측이 바깥쪽을 향하고 있는 작은 패치 전반의 전류 측정을 지원. 이미지 출처: Ahmadi, Shirin et al. 2023 (Frontiers).3
전압 클램프 기록은 세포 막을 흐르는 이온 전류를 동시에 측정하면서 세포의 막전위를 측정하고 통제하는 데 사용되는 방법입니다.2 이 기법을 사용하면 연구자들은 이온 채널 및 수용체의 특성을 연구하여 궁극적으로 활성 전위를 유발하는 메커니즘에 대해 알아볼 수 있습니다.
전류 클램프 기록을 하려면 막전위의 변화를 측정하면서 세포에 전류를 주입해야 합니다. 이 기법은 휴지 막전위 및 활동 전위 방출 패턴 등 뉴런의 내재적 전기적 특성을 연구하는 데 사용됩니다.
반면, 세포외 전기생리학은 여러 세포 또는 넓은 영역의 전기 활동을 측정합니다. 이러한 접근 방식은 신경망의 전반적 활동과 상호 작용을 연구하는 데 흔히 사용됩니다. 다중 전극 어레이(MEA) 는 여러 사이트에서 동시 기록을 지원하여 신경망 수준의 활동에 대한 인사이트를 제공합니다.
요약하면, 세포내 전기생리학과 세포외 전기생리학의 차이점은 세포 막과 비교할 때 기록 전극의 위치입니다. 세포내 기록은 개별 세포의 전기적 특성과 관련된 정보를 제공하며, 세포외 기록은 한 그룹의 세포의 집단적 활동에 대한 정보를 포착합니다. 두 접근 방식 모두 생물학적 시스템의 기능을 이해하는 데 매우 귀중한 정보를 제공합니다.
전기생리학의 미래
기술과 방법론의 지속적 발전으로 전기생리학의 미래는 흥미로운 가능성을 제시합니다. 우리는 이미 전기생리학적 데이터 세트의 복잡성이 증가함에 따라 데이터 분석 및 전산 모델링이 발전해야 할 필요성을 느끼고 있습니다. 머신러닝 도구는 대규모 데이터 세트에서 의미 있는 인사이트를 추출하는 데 중심적 역할을 수행할 것입니다. 소형화된 무선 기기는 이미 개발되기 시작했으며, 계속해서 신체의 전기 활동에 대한 최소 침습식 모니터링을 지원할 것입니다.
광유전학은 특정 세포(일반적으로 뉴런)의 활동을 빛으로 제어하기 위해 현미경 검사와 광학 기술에 의존하는 첨단 기술의 한 예입니다. 이 방법은 광감성 단백질 채널을 도입하기 위해 뉴런을 유전적으로 변경합니다. 발현 후 세포의 정의된 영역에 빛을 조사하면 이온 농도를 국소적으로 변경할 수 있으며, 현미경으로 그 영향을 실시간으로 관찰할 수 있습니다.1
세포 활동에 대한 이 정도 수준의 인사이트와 가시성은 신경 회로, 뇌 기능, 신경학적 질환에 대한 연구 그리고 치료적 중재의 발전을 위한 기회를 열어줍니다.4 전반적으로, 전기생리학의 미래는 생물학적 시스템에 대한 이해, 질병 진단 및 치료 방법을 발전시킬 수 있는 엄청난 가능성을 제시합니다.
전기생리학적 반응을 측정하기 위한 3D 자극 반응 맵의 예. 고도로 표적화된 레이저 광 시뮬레이션을 수행하기 위해, 관찰 시야는 그리드로 나누어지고, 레이저는 주변 영역에 대한 순차적 자극을 방지하는 준무작위 순서로 각 영역에 빛을 비춥니다. 자극 반응 맵은 패치 클램프 기록 또는 이미징 강도를 기반으로 작성되었습니다. 선택 사항인 피에조 노즈피스를 통합하면 반응 맵이 3D로 확장되며, 자극은 이미징 평면과 다른 깊이로 전달됩니다. 이미지 데이터 제공: Haruo Kasai Center for Disease Biology and Integrative Medicine, 의학부, 도쿄대학교 FLUOVIEW 레이저 스캐닝 현미경으로 캡처.
전기생리학에 대한 주요 요점
궁극적으로, 전기생리학은 특히 신경과학과 심장학 분야에서 살아 있는 유기체의 복잡성을 이해하기 위한 노력의 최전선에 있습니다. 연구자들은 세포의 전기적 활동에 대한 미스터리를 파헤쳐 신경의 상호 작용, 근육 수축 및 다른 많은 신경학적 프로세스 뒤에 있는 근본적 메커니즘에 대한 인사이트를 얻을 수 있습니다.
Galvani와 같은 초기 과학자들이 이끈 선구적 실험부터 오늘날의 현대적인 첨단 기술에 이르기까지, 전기생리학 분야는 지식 추구 활동과 협력을 통해 괄목할 만한 혁신을 경험해 왔습니다. 우리는 지속적인 탐구를 통해 인체를 움직이는 전기적 활동에 대한 훨씬 더 심층적인 인사이트를 얻을 수 있을 것입니다.
참고 문헌
- Hardin, Jeff et al. Becker’s World of the Cell, 9th Global Edition. Pearson, 2016.
- Molleman, Areles. Patch Clamping: An Introductory Guide to Patch Clamp Electrophysiology. John Wiley Sons, 2008.
- Ahmadi, Shirin et al. “From Squid Giant Axon to Automated Patch-Clamp: Electrophysiology in Venom and Antivenom Research.” Frontiers, 2023.
- Häusser, Michael. “Optogenetics - The Might of Light.” New England Journal of Medicine, 2021.
