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신경망까지도 꿰뚫어보는 초고속 홀로그램 현미경
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 1216
  • 일 자 : 2019-08-01


신경망까지도 꿰뚫어보는 초고속 홀로그램 현미경

초당 100배 많은 광학정보 획득 … 형광 표지 없이 살아있는 생명체 신경망 관찰

 

 

이과대학 물리학과 최원식 교수

▲ 이과대학 물리학과 최원식 교수

 

 

 

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행 고려대 교수) 최원식 부연구단장(고려대 교수) 연구팀은 절개 수술 없이도 살아있는 생물체의 신경망을 고해상도로 관찰할 수 있는 초고속 홀로그램 현미경을 개발했다.


생체조직은 복잡한 구조로 인해 현미경으로도 그 내부를 관찰하기 어렵다. 빛이 다양한 세포들에 부딪히며 파면이 왜곡되기 때문이다. 이런 파면왜곡 현상으로 인해 생체조직 내부 깊은 곳까지 관찰하기 어렵다는 일반 광학현미경의 한계를 극복하기 위해 홀로그램 현미경이 등장했다. 고심도 생체영상을 획득하기 위해서는 빛의 파면을 정량화하여 특정 깊이를 선택적으로 측정하는 것이 필요하다. 시분해 홀로그램 현미경은 빛의 세기만 관찰하는 일반 현미경과 달리 물체광과 참조광이라는 두 종류의 빛(레이저)을 이용해 빛의 세기와 위상을 동시에 측정한다. 이를 토대로 특정 깊이에서 선택적으로 광신호를 획득해 내부 깊숙한 곳의 이미지까지 얻을 수 있다.

  * 파면(Wavefront): 파동의 위상이 같은 모든 점들을 연결할 때 이뤄지는 면. 가령, 잔잔한 호수에 돌을 던져 생기는 물결의 파면은 원형이다.

  * 시분해 홀로그램 현미경: 홀로그램 현미경은 2개의 레이저광이 서로 만나 일으키는 빛의 간섭효과를 이용해 빛의 진폭과 위상을 파악하는 기술이다. 특히 시분해 홀로그램 현미경은 간섭의 길이가 10㎛ 정도로 매우 짧은 광원을 이용해서 특정 깊이에서 광신호를 선택적으로 획득할 수 있다.


그러나 기존 기술은 파면왜곡을 극복하기 위해 파면을 측정하고, 제어하는 일을 하드웨어적으로 반복해야 했기 때문에 영상획득 속도가 느려 살아있는 동물의 관찰에 적용하긴 어렵다는 점이었다.


연구진은 물체광과 참조광을 동조시키는 방식으로 기존보다 데이터 획득 속도를 수십 배 이상 향상시켰다. 초당 10장 정도의 이미지를 획득하는 기존 기술과 달리, 연구진이 개발한 초고속 홀로그램 현미경은 초당 500장 정도의 데이터를 획득한다.


또한 연구진은 이 기술을 통해 파면을 측정하고 제어하는 반복적인 하드웨어 처리과정 없이도 초점의 광신호를 백배 이상 증가시킬 수 있었다. 파면왜곡을 보정하는 성능이 백배 이상 향상됐다는 것으로, 더 깊은 곳까지 관찰하는 능력이 증가했다는 의미다.


연구진은 초고속 홀로그램 현미경을 이용해 형광표지 인자를 사용하지 않고 살아있는 제브라피쉬의 후뇌부에서 고해상도 뇌신경망 영상을 얻는 데 성공했다. 기존 대다수의 광학현미경 기술은 주로 부화한지 1주일 이내인 어린 제브라피쉬에 형광물질을 주입해 신경섬유 구조를 파악하는 수준에 머물러 있다. 제브라피쉬가 성장할수록 후뇌부를 덮는 부위에 비늘이 두껍게 형성돼 내부를 파악하기 어려웠기 때문이다. 이에 반해 이번 연구에서 개발된 기술은 수 주 이상 성장한 제브라피쉬에서 비표지 방식으로 중추신경계의 신경망 영상을 고해상도로 획득할 수 있었다.


부연구단장을 맡고 있는 최원식 고려대 물리학과 교수는 “기존 광학 현미경 기술의 깊이 한계를 한 단계 뛰어넘은 것”이라며 “이 기술이 향후 뇌신경과학뿐 아니라 다양한 의․생명 융합 연구와 정밀 측정이 필요한 산업분야에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.


연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878) 7월 17일자 온라인 판에 게재됐다.

  * 논문명 : Label-free neuroimaging in vivo with adaptive opticalsynchronous angular scanning microscopy / Nature Communications
  * 저자정보 : Moonseok Kim, Yonghyeon Jo, Jin Hee Hong, Suhyun Kim, Seokchan Yoon, Kyung-DeokSong, Sungsam Kang, Byunghak Lee, Guang Hoon Kim, Hae-Chul Park, and WonshikChoi


 

 [ 그 림 설 명 ]

 

그림1
▲ 그림 1 : 초고속 홀로그램 현미경의 모습
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 초고속 홀로그램 현미경. 기존보다 영상획득 속도를 수십 배 높여 살아있는 생물체의 신경망까지도 관찰 가능하다.

 

그림2

▲ 그림 2 : 초고속 홀로그램 현미경의 모습
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 초고속 홀로그램 현미경. 기존보다 영상획득 속도를 수십 배 높여 살아있는 생물체의 신경망까지도 관찰 가능하다.

 

그림3
▲ 그림 3 : 시분해 초고속 홀로그램 현미경의 원리
시분해 초고속 홀로그램 현미경(a)은 스캐닝 거울을 이용해 물체를 조명하는 빛과 참조광을 동시에 바꿔가며 되돌아 나온 간섭무늬를 기록한다. 참조광을 고정시킨 채 물체광만 스캐닝하는 기존 기술(b)이 제한된 영역에서만 관찰이 가능했던 것과 달리, 개발된 기술(C)은 모든 면적에서 간섭무늬를 기록할 수 있다.

 

그림4
▲ 그림 4 : 생체조직에서 일어나는 파면왜곡 보정기술
부화한 지 21일된 제브라피시의 경우 후뇌부를 덮는 부위에 비늘이 두껍게 형성돼 기존 기술로는 그 내부를 관찰하기 어려웠다(a). 연구진은 각 영역에서 일어나는 빛의 파면왜곡을 수치적으로 찾아낸 뒤(b), 얽혀있는 신경계의 섬유구조까지 선명하게 관찰할 수 있었다.

 

그림5
▲ 그림 5 : 살아있는 제브라피쉬의 후뇌부 신경망 3차원 관찰
부화한지 6일(a), 10일(b) 된 제브라피쉬의 발달단계에 따른 중추신경계를 이루는 신경망 구조의 변화를 관찰할 수 있다. 현미경 성능 비교를 위해 부화한지 10일된 같은 제브라피쉬에서 일반적인 공초점 현미경으로 얻은 반사영상(c), 형광영상(d)에서 신경계를 볼 수 있으나 고해상도의 신경섬유 구조를 확인할 수 없다.