머리 절개 없이 뇌 신경 보는 '현미경' 나왔다

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

두개골을 절개하지 않고 뇌 신경망을 관찰할 수 있는 새로운 현미경이 개발됐다.


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.

생체조직 깊은 곳으로 빛을 전파하면 직진광에 비해 산란광이 매우 강해져 이미지 정보가 흐려진다. 생체 조직이 마치 안개처럼 내부를 보기 어렵게 만든다.

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.

뼈 조직은 내부에 미세한 구조들이 많아 빛의 산란이 심하고 복잡한 광학적 수차를 유발한다. 이 때문에 광학현미경으로 두개골 아래의 뇌 조직을 관찰하면, 이미지가 크게 왜곡돼 물체의 구조를 알아보기조차 어렵다.


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

연구진은 ‘반사행렬 현미경’을 새롭게 개발, 기존 현미경의 한계를 넘어섰다.

반사행렬 현미경은 빛 초점에서만 신호를 획득하는 것이 아니라 초점으로부터 산란한 모든 빛을 측정하도록 설계됐다.

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.