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살아있는 생명체 신경망까지 꿰뚫어 보는 현미경 개발

IBS 연구팀, 초고속 홀로그램 현미경 제작
영상 획득 속도 100배 빨라···동물 관찰 한계 극복
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 초고속 홀로그램 현미경. 기존보다 영상획득 속도를 수십 배 높여 살아있는 생물체의 신경망까지도 관찰할 수 있다. <사진=IBS 제공>IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 초고속 홀로그램 현미경. 기존보다 영상획득 속도를 수십 배 높여 살아있는 생물체의 신경망까지도 관찰할 수 있다. <사진=IBS 제공>

살아있는 생물체의 신경망을 고해상도로 관찰하는 현미경이 등장했다.

IBS(원장 김두철)는 분자 분광학·동력학 연구단 최원식 부연구단장팀이 초고속 홀로그램 현미경을 개발했다고 1일 밝혔다.

연구진은 초고속 홀로그램 현미경을 이용해 형광표지 인자를 사용하지 않고 살아있는 성장한 제브라피시(zebrafish)의 후뇌부에서 고해상도 뇌신경망 영상을 얻었다.

일반 광학현미경으로는 비늘이 두껍게 덮인 제브라피시 성체의 후뇌부 같은 조직의 깊은 곳을 관찰하기 어렵다. 빛이 다양한 세포들에 부딪히면 파면이 왜곡되는 현상이 발생하기 때문이다. 기존 광학현미경 기술로는 부화 후 1주일 이내인 어린 제브라피시의 신경 섬유 구조 정도만 파악할 수 있다. 

살아있는 제브라피시의 후뇌부 신경망 3차원 관찰. 부화한지 6일(a), 10일(b) 된 제브라피시에서 중추신경계를 이루는 신경망 구조. 부화한 지 10일 된 동일한 제브라피시에서 일반 공초점 현미경으로 얻은 반사영상(c)과 형광영상(d)에서는 고해상도의 신경섬유 구조를 확인할 수 없다. <사진=IBS 제공>살아있는 제브라피시의 후뇌부 신경망 3차원 관찰. 부화한지 6일(a), 10일(b) 된 제브라피시에서 중추신경계를 이루는 신경망 구조. 부화한 지 10일 된 동일한 제브라피시에서 일반 공초점 현미경으로 얻은 반사영상(c)과 형광영상(d)에서는 고해상도의 신경섬유 구조를 확인할 수 없다. <사진=IBS 제공>

이후 개발된 홀로그램 현미경은 이런 단점을 보완한다. 시분해 홀로그램 현미경은 빛의 세기만 관찰하는 일반 현미경과 달리 레이저광 2개를 이용해 빛의 진폭과 위상을 동시에 측정한다. 따라서 물체 깊숙한 곳의 모습을 볼 수 있다. 하지만 영상을 획득하는 속도가 느려서 살아있는 동물을 관찰하는 데 한계가 있다.

연구팀이 개발한 홀로그램 현미경은 초당 약 500장 데이터 이미지를 획득한다. 기존 홀로그램 현미경이 초당 10장 정도를 얻는 속도보다 수십 배 빠르다. 또한, 파면의 왜곡을 보정하는 성능이 100배 이상 높다. 더 깊은 곳까지 관찰하는 능력이 향상됐다는 의미다.

최원식 부연구단장은 "기존 광학 현미경 기술의 깊이 한계를 한 단계 뛰어넘었다"며 "이 기술이 향후 다양한 의·생명 융합 연구와 정밀 측정이 필요한 산업에 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.
 
연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 7월 17일 자 온라인판에 게재됐다. 논문명은 'Label-free neuroimaging in vivo with adaptive opticalsynchronous angular scanning microscopy / Nature Communications'다.
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