생물체 신경망 꿰뚫어 보는 `초고속 홀로그램 망원경`

최원식 IBS 부연구단장 연구팀
광학현미경 깊이 한계 등 극복

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생물체 신경망 꿰뚫어 보는 `초고속 홀로그램 망원경`
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단이 개발한 '초고속 홀로그램 현미경' 모습으로, 기존보다 영상 획득 속도를 수십 배 높여 살아 있는 생물체의 신경망까지도 관찰할 수 있다. IBS 제공


살아있는 생물체의 신경망까지 고해상도로 관찰할 수 있는 '초고속 홀로그램 망원경'이 나왔다. 기존 광학현미경의 깊이 한계와 데이터 획득 속도를 극복한 것으로, 뇌신경과학과 의생명 융합연구 등의 핵심 장비로 활용될 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장 연구팀은 절개 수술 없이 생체조직 내부 영상을 빠르게 얻을 수 있는 '초고속 홀로그램 현미경'을 개발했다고 1일 밝혔다.

생체조직은 복잡한 구조와 빛의 파면 현상으로 왜곡됨에 따라 일반 광학현미경으로 내부를 정확히 관찰하기 어렵다. 이를 극복하기 위해 홀로그램 현미경이 등장했다.

생체조직 내부 영상을 얻으려면 빛의 파면을 정량화해 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 얻어 내부 깊숙한 곳의 이미지를 얻을 수 있다.

하지만, 영상획득 속도가 느려 살아있는 동물을 관찰하기 쉽지 않은 단점이 있다.

연구팀은 물체광과 참조광을 동조시키는 방식으로, 초당 10장 정도의 이미지를 얻을 수 있는 기존 기술과 달리 초당 500장의 데이터를 획득할 수 있도록 구현했다.

또 빛의 파면을 측정하고 제어하는 반복적인 하드웨어 처리 과정 없이 초점의 광신호를 100배 이상 증가시켜 더 깊은 곳까지 관찰할 수 있다.

연구팀은 초고속 홀로그램 현미경을 이용해 살아있는 제브라피쉬(인간과 유사한 척추동물 실험모델)의 후뇌부에서 고해상도 뇌신경망 영상을 얻는 데 성공했다. 아울러 수 주 이상 성장한 브라피쉬에서 비표지 방식으로 중추신경계의 신경망 영상을 고해상도로 획득하기도 했다. 제브라피쉬는 성장할수록 후뇌부를 덮는 부위에 비늘이 두껍게 형성돼 내부를 파악하기 어렵다.

최원식 부연구단장은 "앞으로 뇌신경과학과 다양한 의생명 융합연구, 정밀측정이 필요한 산업 분야에 널리 쓰일 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(지난달 17일자)' 온라인판에 실렸다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr

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