초고속 3차원 이미징 현미경의 바이오 샘플 적용(IBS 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 측정 횟수를 대폭 감소시켜 초고속으로 이미징할 수 있는 광학 현미경 기술을 개발했다.14일 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장 연구팀은 이같은 기술을 개발하고, 이를 적용해 뇌 조직 안의 매우 가느다란 신경망 구조의 고해상도 3차원 이미지를 복원하는 데 성공했다고 밝혔다.

일반적인 생체 조직은 광 산란 현상이 심해 노이즈가 클 뿐만 아니라 매우 복잡한 광학 수차를 유발하기 때문에 조직 깊은 곳의 대상에 대해서는 고해상도 이미징이 어려웠다.

최근 이를 극복하기 위한 다양한 연구들이 있었지만, 고해상도 이미징을 위해서는 많은 수의 이미지 측정이 이뤄져야 하는 등 3차원 이미징에 적용은 현실적인 한계가 있었다.

특히, 반사 행렬을 측정하는 작업은 회절 한계(diffraction limit)에 해당하는 모든 조명을 각각 입사시키면서 여러 장의 이미지를 측정해야 하는 등 현실적 한계가 있었다.이에 연구진은 반사 행렬 측정 속도 문제를 획기적으로 개선 기존의 점 또는 평행빔 조명 대신에 무작위 패턴의 조명을 희소 샘플링해 반사 행렬을 구성했다.

반사 행렬의 시간 역전 행렬(time-reversal matrix)을 이용하는 방법으로 복잡한 광학 수차를 보정했다.

이어 이를 활용해 원래 필요했던 측정 이미지 개수의 2% 사용만으로도 기존 반사 행렬 이용 이미징 방법에서와 같은 고해상도 이미지를 획득했다.

연구진은 이와 같은 결과를 바탕으로 쥐의 뇌 조직 내부의 마이엘린(myelin) 신경섬유 3차원 구조를 초고속으로 이미징했다.

산광기(diffuser)를 회전시켜 서로 다른 무작위 패턴을 조명하는 동시에 이미징하고자 하는 깊이 범위만큼 뇌 조직을 이동시켜가며 산란 이미지들을 얻었다.

기존 반사 행렬 이미징 방법에서는 전체 볼륨(128×128×125 μm3) 이미지 측정에 수 시간이 소요됐다.

반면, 이번 연구에서는 깊이별 측정 이미지 개수를 대폭 줄일 수 있었기 때문에 동일 볼륨에 해당하는 데이터 획득 시간이 3.58초밖에 되지 않았다.

그럼에도 불구하고 수평 해상도 0.45μm, 수직 해상도 2μm의 회절 한계 분해능의 고해상도 이미지를 복원했다.

이번 연구를 이끈 최원식 부연구단장은 “반사 행렬 이미징 방법을 더욱 발전시켜 의생명 광학 기술 분야 활용 범위를 넓혀나갈 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘Light: Science & Applications’ 1월 14일자 온라인판에 게재됐다.


km5030@news1.kr