반사행렬 현미경의 작동 개요IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 ‘반사행렬 현미경’의 작동원리. 기존의 공초점 현미경을 기반으로 반사파의 파면을 측정하기 위해서 기준 단을 삽입하였다. 또한 측정 장비로는 카메라를 사용해 간섭 이미지를 측정할 수 있도록 하였고, 샘플 단 중간에 Spatial Light Modulator(SLM)을 삽입함으로써 물리적으로 파면을 제어할 수 있게 하였다/사진=IBS
기초과학연구원(IBS) 분자분광학및동력학연구단 최원식 부연구단장(고려대 물리학과 교수) 연구팀이 쥐의 두개골을 관통해 신경망 구조를 고해상도로 들여다 볼 수 있는 ‘반사행렬 현미경’을 개발했다고 3일 밝혔다.
빛은 생체 조직을 투과할 때 직진광, 산란광이라는 두 종류의 빛이 생겨난다. 직진광은 생체 조직의 영향 없이 직진하는 빛이다. 이를 이용해 물체의 이미지를 획득할 수 있다. 산란광은 생체 조직 내 세포나 세포소기관에 의해 진행 방향이 무작위로 굴절된 빛이다. 이미지 획득을 방해한다.
게다가 유기체 세포 등 빛의 경로가 틀어지는 산란 매질을 지나면서 직진광의 전파 속도가 각도에 따라 달라지는 광학 수차(한 점에서 나온 빛이 광학계를 통한 후 다시 한 점에 모이지 않고 일그러지는 현상)가 발생하는데, 이는 이미지의 대조나 해상도를 떨어뜨린다.
이 때문에 지금까지는 두개골을 제거하거나 얇게 갈아내 뇌 조직 신경망을 연구하고 있다.
반사행렬 현미경으로 쥐의 신경망을 관찰하는 실험연구진이 개발한 알고리즘을 두개골을 제거하지 않은 쥐의 신경망을 이미징하는 데 적용하였다. 수차를 보정하기 전의 기존 광학 현미경 기법을 측정한 이미지는 왜곡되고 노이즈의 신호가 묻혀 알아볼 수가 없다(b). 하지만 연구진이 개발한 알고리즘을 적용하면 (c) 그림과 같이 고해상도 신경망 이미지를 복원할 수 있다. (d)는 각 위치에서 알고리즘이 찾은 파면 왜곡 정도를 보여준다/사진=IBS
반사행렬 현미경은 빛 초점에서만 신호를 획득하는 것이 아니라 초점으로부터 산란한 모든 빛을 측정하도록 설계됐다.
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이는 생명과학분야 연구에 많이 사용되는 공초점 현미경으로는 전혀 관찰할 수 없었던 약 1 마이크로미터 굵기의 가는 뇌 속의 미엘린 신경섬유들을 관측할 수 있었다.
연구진은 또 생명과학분야에서 주로 쓰는 이광자 현미경에 반사행렬 시스템을 접목, 세계 최초로 쥐의 두개골 훼손 없이 신경세포의 수상돌기 가시의 고해상도 형광 이미지를 얻는 데 성공했다.
신경세포의 수상돌기 가시는 생물학적으로 매우 중요하지만, 그 구조가 미세해 기존 현미경 기술로는 두개골을 제거해야만 관찰 가능하다.
최원식 부연구단장은 “실제 의료현장에서 사용할 수 있도록 현미경을 소형화하고, 이미징 속도를 증가시키는 연구를 진행 중”이라고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판에 게재됐다.