기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 최원식 부연구단장 연구팀은 초고속 스캐닝 홀로그램 현미경 기술을 개발했다. 이를 이용해 비침습, 비표지 방식으로 살아있는 제프라피쉬(Zebrafish)의 중추신경계 신경망 구조를 고해상도로 이미징할 수 있음을 증명하였다. 이러한 기술은 뇌신경과학 뿐 아니라 다양한 의생명융합 연구와 진단기술에 활용될 것으로 기대된다.
생체조직은 다양한 세포들로 이루어진 복잡한 내부 구조와 굴절률 분포로 인하여 진행하는 빛의 파면을 왜곡시킨다. 이러한 파면왜곡은 광학적 진단 및 광치료 기술의 유효 깊이를 제한하는 근본적인 원인이다. 따라서 파면왜곡을 극복하는 것은 광학영상에서 필수적인 중요한 문제이다.
파면왜곡을 극복하는 방법으로 적응광학 분야에서 파면측정 기술이나 파면제어 기술이 활발히 연구되고 있다. 특히 살아있는 상태로 고심도 생체영상을 획득하기 위해서는 특정 깊이를 선택적으로 빠르게 측정하는 것이 중요하다. 그러나 기존에 개발된 적응광학 기술들은 파면측정 또는 파면제어를 반복적으로 수행해야 하기 때문에 영상속도가 느려져 복잡한 파면왜곡을 보정하기에는 어려움이 있었다.
이러한 문제를 해결하기위해 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장 연구팀은 초고속 스캐닝 홀로그램 현미경을 개발했다. 기존 시분해 홀로그램 현미경에 비하여 영상 획득 속도를 수십 배 이상 향상시켰고, 하드웨어적인 처리과정 없이 파면왜곡 보정 알고리즘을 통하여 초점의 광신호를 백배 이상 향상시킬 수 있음을 보였다.
시분해 홀로그램 현미경은 간섭계 방식으로 물체의 광신호와 참조광의 간섭신호를 기록한다. 이러한 광간섭신호를 기록하기 위해서는 물체광과 참조광 펄스면을 일치시켜야 한다. 기존의 참조광이 고정된 간섭계 방식의 홀로그램 현미경의 경우 샘플빔의 입사각을 거울로 회전하여 스캐닝하게 되면 간섭신호는 수 마이크로 영역으로 제한되어 대면적 영상을 얻는 것이 불가능하다. 샘플빔과 참조광의 펄스면을 맞추기 위한 방법으로 액정기반의 공간광변조기를 사용하여 샘플의 입사파를 변조하는 방법이 있으나, 공간광변조기의 제어속도가 느리기 때문에 생체영상에 어려움이 컸다.
연구진은 이러한 문제를 해결하고 대면적 간섭신호를 얻기 위하여 샘플빔과 참조광을 동조시켜 각도를 회전하는 새로운 방식의 초고속 스캐닝 홀로그램 현미경 기술을 개발하였다. 샘플빔과 참조광을 동조시킨 초고속 스캐닝 현미경은 기존 방법보다 수십 배 이상 영상획득 속도를 향상시켰다. 더불어 반복적인 하드웨어 처리과정 없이 반사행렬을 수치적으로 분석하는 방식의 파면왜곡 보정 알고리즘을 통해 초점의 광신호를 백배 이상 증가시켰다.
연구진은 초고속 스캐닝 홀로그램 현미경을 이용하여 형광 표지 인자를 사용하지 않고, 살아있는 제브라피쉬의 후뇌부에서 고해상도의 뇌신경망 영상을 얻을 수 있음을 보였다. 기존의 광학현미경 기술은 주로 부화한지 1주일 이내의 어린 제브라피쉬에서 형광 표지 인자를 사용하여 신경섬유 구조를 확인할 수 있었다. 이에 반해 연구진은 수 주 이상 발달한 개체에서 비표지 방식으로 중추신경계의 신경망 영상을 고해상도로 획득하였다.
최원식 부연구단장은 “이번 연구를 통해 기존 광학 현미경 기술의 깊이를 한 단계 뛰어넘었다”며 이러한 방식이 향후 뇌신경과학 뿐 아니라 다양한 의생명 융합연구와 나노스케일의 측정이 필요한 산업분야에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다.
이번 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, 5-year IF 13.811) 온라인판에 2019년 7월 17일 게재됐다.