기초과학연구원 분자 분광학 및 동력학 연구단은 가톨릭대, 서울대와 함께 살아있는 쥐의 두개골을 제거하지 않고도 뇌 신경망을 3D 고해상도로 관찰할 수 있는 홀로그램 현미경을 개발했다.

빛을 이용해 우리 몸 깊은 곳을 관찰하기 위해서는 충분한 빛 에너지를 전달해 반사되는 신호를 정확하게 측정해야한다. 생체 조직 같은 복잡한 구조에서 빛은 여러 번 무작위하게 진행방향을 바꾸는 다중 산란을 겪는다. 이 과정에서 빛이 가진 영상 정보를 잃어버린다. 비록 아주 적은 양이더라도 보고자 하는 물체와 한번 부딪쳐 반사된 빛(단일 산란파)만 골라 수차로 인한 왜곡을 보정해주면 깊은 곳까지 관찰할 수 있다. 하지만, 다중 산란파가 이를 방해한다. 따라서 고심도 생체 영상을 얻기 위해서는 방해꾼인 다중 산란파를 제거하고 단일 산란파의 비율을 증가시키는 것이 중요하다.

IBS 연구진은 2019년에 다중 산란을 제거하고 빛의 세기와 위상을 동시에 측정할 수 있는 홀로그램 현미경을 최초로 개발하고 절개 수술 없이 살아있는 물고기의 신경망을 관찰한 바있다. 하지만 물고기보다 두꺼운 두개골을 가진 쥐의 경우 두개골에서 발생하는 심한 빛의 왜곡과 다중산란으로 두개골을 제거하거나 얇게 깎아내지 않고는 뇌 신경망 영상을 얻을 수 없었다.

연구진은 빛과 물질의 상호작용을 정량화해서 보다 더 깊은 곳까지 관찰 가능한 고심도 3차원 시분해 홀로그램 현미경을 개발했다. 다중산란파는 물체에 부딪힌 빛의 파형이 제각각인 반면, 단일산란파는 비슷한 파형을 보인다. 이에 착안, 연구진은 불필요한 다중산란파의 신호를 제거했다. 이러한 방법으로 뇌 신경망에 기존보다 80배 많은 빛을 모아 뇌 신경망을 관찰할 수 있었다.

연구진은 기존 기술로는 불가능했던 깊이에서도 빛의 파면 왜곡을 보정했으며, 쥐의 두개골을 제거하지 않고도 가시광선 대역의 레이저로 형광 표지 없이 두개골 밑에 존재하는 뇌 신경망 영상을 고해상도로 얻는 데 성공하였다.

최원식 부연구단장은 “오랫동안 연구해왔던 물리적 원리를 응용한 고심도 생체 영상 기술은 광학 현미경 영상 기술 발전에 크게 기여할 것”이라며 “뇌신경과학을 포함한 다양한 의․생명 융합 연구와 정밀 측정이 필요한 산업분야에 파급효과를 가져올 것으로 기대한다”고 말했다.

연구결과는 국제학술지 사이언스 어드밴스(Science Advances) 7월 28일자 온라인 판에 게재됐다.

그림설명

고심도 3차원 홀로그램 현미경 모습
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 고심도 3차원 홀로그램 현미경.