[Development of intravital deep tissue imaging system]
Obtaining high-dimensional information underlying deep tissue in vivo remains a key challenge in the bio-imaging field. Here, we developed different types of deep tissue imaging system based on customized confocal microscopy:
endomicroscopy with 1) miniaturized side-viewing GRIN lens probes and 2) tissue-implantable window chamber.
By applying these newly developed deep tissue imaging system longitudinally and repetitively to various organs (e.g. breast tumor and brain tissue) of live animals in a minimally invasive manner, we successfully monitored long-term cellular activities, wide-range morphogenesis, and tumorigenesis with high spatiotemporal resolution. After the in vivo imaging session, histological analysis including tissue clearing technique was subsequently followed, thereupon the functionality of confocal endomicroscopy could be validated.
All types of endomicroscopy demonstrated in this study could be a versatile platform for investigating complex and dynamic phenomena arising from deep tissue in real-time.
[Investigation of hippocampal mechanism for individual recognition]
In a social environment, animals frequently and repeatedly interact with other individuals. The ability to recognize the social counterpart as a unique individual and then process individual-specific information is highly essential for adaptive social behavior, however, neural mechanisms underlying individual recognition have not been rigorously investigated. Although the hippocampal formation has been widely implicated in social memory, how hippocampal neurons process individual-specific information remains uncovered yet. In this study, the hippocampal neural mechanism underlying individual recognition was investigated by combining a novel individual discrimination paradigm and in vivo two-photon imaging technique.
Through a brief nose-to-nose social interaction, mice could discriminate familiar conspecifics associated with reward and non-reward, which depended on the dorsal hippocampus. The social memory obtained during the behavioral task can be reliably maintained for a week. In vivo two-photon calcium imaging showed that subsets of dorsal CA 1 neurons accurately discriminate familiar conspecifics in both reward and non-reward category. Hippocampal population activity also decoded individual mice with high accuracy regardless of reward contingency. Furthermore, by monitoring activities of the same dorsal CA1 neurons for two consecutive days, we also found that the individual-specific activities are stably maintained over days in both single-cell and population level. These results elucidate the mechanisms of how dynamically and efficiently dorsal CA1 neurons encode social information to distinguish individual conspecifics.
[생체 내 심부 영상화 시스템 개발]
생체 내 미세환경은 세포, 단백질 및 조절인자들의 활성화로 인한 복잡한 상호작용이 일어나는 매우 동적인 환경으로, 생체 현미경의 개발과 적용은 유전자 발현, 세포-세포 상호작용을 비롯한 동적 바이오 현상을 직접적으로 연구하는 데에 획기적인 발전을 가져왔다. 더 나아가 다양한 윈도우 기법을 접목시킨 생체 현미경 기법의 활용은 복잡한 바이오 현상의 장기적·반복적·안정적 세포수준 영상화를 가능하게 하였다. 하지만 살아있는 동물에 대해 이와 같은 생체 영상기법의 적용은 조직 상단부에 한정적이며, 이를 극복하기 위해 최근 다양한 마이크로 옵틱스를 활용한 내시현미경시스템이 개발되고 있으나, 여전히 다채널 심부영상 혹은 관찰시야 관점에서 기술적 한계가 존재한다. 따라서 본 연구는 생체 심부조직의 세포수준 대면적 영상화를 위하여 자체 제작 초고속 영상화 시스템 기반 내시현미경시스템의 구축과 다양한 생체 조직으로의 적용을 통한 성능 검증을 목표로 한다.
이를 위해 초소형 측면형 그린(GRIN)렌즈 프로브 및 조직이식형 생체윈도우를 활용한 공초점 내시현미경 시스템을 구축하였으며, 다양한 종양모델과 형질전환마우스 모델 내 뇌 조직으로의 장기적·반복적 적용을 통해 생체 심부 조직의 저침습적 세포수준 실시간 영상화가 가능함을 입증하였다. 본 연구에서 구축한 공초점 내시현미경 시스템은 기존 광학기법으로 접근 불가능했던 조직 심부 내 구조적·기능적 현상을 연구하는 데에 획기적인 기술로 활용될 것이다.
[개체 인식을 위한 해마 신경기전 연구]
우리는 사회적 집단 속에서 타인과 긴밀한 관계를 유지하며 살아간다. 이 과정에서 사회적 상호작용은 필수적이며, 정확한 개체 인식과 이를 기억하는 능력은 성공적인 사회적 관계를 형성하는 데에 핵심적인 요소이다. 동종 개체에 대한 기억 및 정보처리에 해마, 전두엽 등 여러 뇌 영역이 관여한다는 연구가 선행 되었으며, 특히 일화적 기억의 저장소로 알려진 해마 내 신경회로 혹은 신경세포가 사회적 정보 처리에 중요하다는 연구 결과들이 보고되고 있다. 하지만 해마 내 신경세포가 어떻게 개체 특이적 정보를 처리하는지에 대한 구체적인 세포 매커니즘은 규명되지 않았다. 따라서 본 연구는 사회적 행동에 필수적인 개체 인식에 관여하는 해마의 역할을 탐색하고, 개체 관련 정보가 어떻게 해당 영역에서 처리되는지 신경세포 수준에서 이해하고자 한다.
특수 제작한 개체 구분 행동 패러다임을 통해 마우스가 해마 의존적으로 정확한 개체 인식을 할 수 있으며, 사회적 행동이 장기간 유지될 수 있음을 밝혔다. 또한 이광자 현미경 기법을 적용하여 해마 신경 세포의 활성도가 개별 혹은 집단 수준에서 보상 가치에 관계없이 동종 개체를 정확하게 구분함을 밝혔다. 더 나아가, 해마 내 동일한 세포들을 수 일에 걸쳐 반복적으로 영상화 함으로써, 개체 특이적 활성도가 개별 혹은 집단 세포 수준에서 안정적으로 유지됨을 밝혔다.
본 연구 결과는 해마가 동종 개체에 관련 된 정보를 정확하고 효율적으로 처리하는 세포 수준 메커니즘을 설명하며, 복잡한 사회적 정보를 처리하는 뇌 세포의 기능을 이해하는 데에 중요한 단서로 활용될 것이다.
