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IBS, 수술 않고 신경망 관찰 초고속 홀로그램 현미경 개발

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 | 2019-08-01 12:00 송고
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 초고속 홀로그램 현미경(IBS 제공)© 뉴스1

기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 최원식 부연구단장 연구팀이 절개 수술 없이 살아있는 생물체의 신경망까지 고해상도로 관찰할 수 있는 초고속 홀로그램 현미경을 개발했다고 1일 밝혔다.

생체 조직은 복잡한 구조 때문에 현미경으로도 내부를 관찰하기 어렵다. 빛이 다양한 세포들에 부딪히면서 파면이 왜곡되기 때문이다.

파면은 파동의 위상이 같은 모든 점들을 연결할 때 이뤄지는 면이다. 예를 들면 잔잔한 호수에 돌을 던져 생기는 물결의 파면은 원형이다.

일반 광학현미경은 파면왜곡 현상으로 인해 생체 조직 내부 깊은 곳까지 관찰이 어려워 이를 극복하기 위해 홀로그램 현미경이 등장했다.

시분해 초고속 홀로그램 현미경의 원리(IBS 제공)© 뉴스1

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

또 이 기술을 통해 파면을 측정하고 제어하는 반복적인 하드웨어 처리 과정 없이도 초점의 광신호를 백배 이상 증가시킬 수 있었다. 파면 왜곡을 보정하는 성능이 백배 이상 향상됐다는 것으로, 더 깊은 곳까지 관찰하는 능력이 증가했다.

연구팀은 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.

반면 연구팀의 기술은 수 주 이상 성장한 제브라피쉬에서 비표지 방식으로 중추신경계의 신경망 영상을 고해상도로 획득할 수 있었다.

최원식 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장© 뉴스1

최원식 부연구단장은 “기존 광학 현미경 기술의 깊이 한계를 한 단계 뛰어넘은 것”이라며 “이 기술이 향후 뇌신경과학뿐 아니라 다양한 의 생명 융합 연구와 정밀 측정을 필요로 하는 산업 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인 판에 지난달 17일 게재됐다.


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