두개골 제거 없이 쥐 신경망 투시하는 홀로그램 현미경 개발

[이뉴스투데이 김영욱 기자] 뇌를 관찰할 때 더 이상 두개골을 쪼개지 않아도 된다.

김문석 가톨릭대학교 의과대학 의생명과학교실 교수 연구진이 살아있는 쥐의 두개골을 제거하지 않고 뇌 신경망을 3D 고해상도로 관찰할 수 있는 홀로그램 현미경을 개발했다고 30일 밝혔다. 

최원식 기초과학연구원 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장, 최명환 서울대학교 생명과학부 교수와의 공동 연구를 진행했다.

충분한 빛 에너지를 전달해 반사되는 신호를 정확히 측정해야 우리 몸 깊은 곳을 관찰할 수 있다. 하지만 생체 조직에서 빛은 다양한 세포들에 부딪히며 생기는 다중산란 현상과 이미지가 흐릿하게 보이는 수차로 관찰이 쉽지 않다.

공동 연구팀은 2019년에 다중 산란을 제거하고 빛의 세기와 위상을 동시에 측정할 수 있는 시분해 홀로그램 현미경을 최초로 개발했다. 절개 수술 없이 살아있는 물고기의 신경망을 관찰에 성공하지만 물고기보다 두꺼운 두개골을 가진 쥐의 경우 두개골에서 발생하는 심한 빛의 왜곡과 다중산란으로 뇌 신경망 영상을 얻을 수 없었다.

연구진은 빛과 물질의 상호작용을 정량화해서 보다 더 깊은 곳까지 관찰 가능한 고심도 3차원 시분해 홀로그램 현미경을 개발했다. 다양한 각도로 빛을 넣어도 비슷한 반사파형을 가지는 단일 산란파의 특성을 이용해 단일 산란파만 골라내는 방법을 고안했다. 

뇌 신경망에 기존보다 80배 많은 빛을 모으고, 불필요한 신호를 선택적으로 제거해 단일 산란파의 비율을 수십 배 증가시켰다. 연구팀은 기존 기술로는 불가능했던 깊이에서도 빛의 파면 왜곡을 보정했다. 

그 결과 쥐의 두개골을 제거하지 않고도 가시광선 대역의 레이저로 형광 표지 없이 두개골 밑에 존재하는 뇌 신경망 영상을 고해상도로 얻는 데 성공하였다.

김문석 교수와 최원식 교수는 “복잡한 물질의 광학적 공명상태를 처음 관찰했을 때 학계에서 큰 관심을 받았다”며 “기초 원리에서부터 쥐 두개골 속 신경망을 관찰하기까지 물리·생명·뇌과학 인재들과 함께 연구하며 뇌신경영상 융합기술의 새로운 길을 열었다”고 전했다.

또 “향후 뇌신경과학을 포함한 다양한 의ㆍ생명 융합 연구와 정밀 측정이 필요한 산업분야에 파급효과를 가져올 것으로 기대하고 있다”고 말했다.

이 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴스’ 7월 28일자 온라인 판에 게재됐다.