수술 없이 살아있는 생명체 신경망을 들여다볼 수 있는 홀로그램 현미경 기술이 개발됐다.

4일 기초과학연구원(IBS)은 최원식 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장 연구팀이 이런 성과를 냈다고 밝혔다.

홀로그램 현미경은 기존 일반 광학현미경 한계를 극복하기 위해 나왔다. 빛의 파면(wavefront) 왜곡 현상을 줄여 생체조직 내부 깊은 곳까지 관찰하기 위해서다.

▲ 시 분해 초고속 홀로그램 현미경 원리.시 분해 초고속 홀로그램 현미경(a)은 스캐닝 거울을 이용해 물체를 조명하는 빛과 참조 광을 동시에 바꿔가며 되돌아 나온 간섭무늬를 기록한다. 참조 광에 고정한 채 물체 광만 살피는 기존 기술(b)이 제한된 영역에서만 관찰이 가능했던 것과 달리, 새 기술(C)은 모든 면적에서 간섭무늬를 기록할 수 있다.

다만 그간 홀로그램 현미경 기술은 파면 왜곡 극복을 위해 반복적인 하드웨어 제어 작업을 필요로 했다.

이는 영상획득 속도 지연으로 이어지면서 살아있는 동물 관찰을 어렵게 만들었다.

연구진은 물체 광과 참조 광이라는 두 종류의 빛(레이저)을 조절(동조)하는 방식으로 기존보다 데이터 획득 속도를 수십 배 이상 높였다.

기존에는 1초당 10장 정도의 이미지를 얻을 수 있었지만, 새 초고속 홀로그램 현미경은 초당 500장 정도까지 획득한다.

▲ 살아있는 제브라 피시 후뇌부 신경망 3차원 관찰.부화한 지 엿새(a)·열흘(b) 지난 제브라 피시 발달단계에 따른 중추신경계를 이루는 신경망 구조 변화 모습이다. 기존 공초점 현미경으로 얻은 반사 영상(c)·형광 영상(d)과 비교할 때 해상도 면에서 큰 차이가 난다.

파면을 측정하고 제어하는 지속적인 되풀이 과정 없이도 초점 광신호를 100배 이상 증가할 수 있다고 연구진은 설명했다.

이는 파면 왜곡 보정 성능이 100배 이상 향상했다는 뜻이다. 더 깊은 곳까지 관찰하는 능력이 생긴 셈이다.

실제 연구진은 살아있는 제브라 피시 고해상도 뇌 신경망 영상을 얻는 데 성공했다.

예전처럼 형광물질을 주입할 필요도 없었다.

최원식 부연구단장은 "기존 광학 현미경 기술 한계를 한 단계 뛰어넘은 성과"라며 "뇌신경과학을 비롯해 다양한 생명 융합 연구나 정밀 측정을 요구하는 산업 분야에 도움을 줄 수 있을 것"이라고 말했다.

논문은 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 7월 17일 자 온라인판에 실렸다.

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