두개골 통과시 발생하는 산란광, 해상도 낮추는 노이즈로 작용
최원식 박사팀, 산란광 제거 알고리즘 탑재해 뇌 정밀 관찰 성공
국내 연구진이 두개골 손상 없이 뇌신경을 자세히 관찰할 수 있는 현미경을 개발했다.
기초과학연구원(IBS)은 최원식 분자분광학및동력학연구단 부연구단장 연구팀이 쥐의 두개골을 손상없이 관통해 신경망 구조를 고해상도로 관찰할 수 있는 ‘반사행렬 현미경’을 개발했다고 3일 밝혔다. 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 12일 게재됐다.
환자의 뇌질환 진단을 위해 뇌조직을 관찰할 때 두개골은 해상도를 떨어뜨리는 요인이 된다. 공기 중의 빛은 피부나 뼈 같은 다른 물질 속으로 들어갈 때 직진광과 산란광 등 두 가지 빛으로 나눠진다.
원래 진행하던 방향으로 계속 직진하는 직진광은 뇌 조직에 닿아, 관찰자가 그 구조를 볼 수 있도록 한다. 반면 산란광은 원래 의도했던 것과 다른 방향으로 무작위로 튕겨나가는 빛으로, 관찰대상 외 다른 시각정보까지 관찰자에게 전달해 오히려 관찰을 방해하는 노이즈가 된다.
산란광 때문에 현미경 이미지의 해상도를 높이는 데는 한계가 있는 상황이다. 뇌조직을 보다 자세히 관찰해야 할 경우 두개골 일부를 제거하거나 얇게 갈아내고 있다.
연구팀은 독자적으로 개발한 알고리즘을 적용해 산란광은 무시하고 직진광이 전해주는 시각정보만을 선택적으로 추출하는 방식을 구현했다. 기존 광학현미경으로는 두개골 손상없이 관찰이 불가능했던 1마이크로미터(μm·100만분의 1미터) 굵기의 뇌 속 신경섬유들도 관찰할 수 있었다.
연구팀은 실험쥐의 뇌를 이 방법으로 관찰한 결과 신경세포 속 구조인 수상돌기 가시를 관찰하는 데 성공했다. 두개골 손상없이 이것을 관찰한 것은 전세계에서 연구팀이 최초다.
최 부연구단장은 "실제 의료현장에서 사용할 수 있도록 현미경을 소형화하고, 이미징 속도를 증가시키는 연구를 진행하고 있다"며 "질병의 실시간 조기 진단 등 의생명 분야 활용 범위를 넓혀나갈 것"고 말했다.