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기초과학硏, 초당 100배 많은 광학정보 획득 기술 개발

(아시아뉴스통신= 이기종기자) 기사입력 : 2019년 08월 02일 10시 27분

절개 수술 없이도 살아있는 생물체의 신경망까지 고해상도로 관찰할 수 있는 초고속 홀로그램 현미경을 개발한 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878)에 7월 17일 게재됐다.(자료출처=네이처 커뮤니케이션즈)

기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학 연구단이 절개 수술 없이도 살아있는 생물체의 신경망까지 고해상도로 관찰할 수 있는 초고속 홀로그램 현미경을 개발했다고 2일 밝혔다.
 
생체조직은 복잡한 구조로 인해 현미경으로도 그 내부를 관찰하기 어려운데 빛이 다양한 세포들에 부딪히며 파면이 왜곡되기 때문이다.

이런 파면왜곡 현상으로 인해 생체조직 내부 깊은 곳까지 관찰하기 어렵다는 일반 광학현미경의 한계를 극복하기 위해 홀로그램 현미경이 등장했다.
 
특히 시분해 홀로그램 현미경은 빛의 세기만 관찰하는 일반 현미경과 달리 물체광과 참조광이라는 두 종류의 빛(레이저)을 이용해 빛의 세기와 위상을 동시에 측정한다.

이를 토대로 특정 깊이에서 선택적으로 광신호를 획득해 내부 깊숙한 곳의 이미지까지 얻을 수 있다.
 
하지만 기존 기술은 파면왜곡을 극복하기 위해 파면을 측정하고 제어하는 일을 하드웨어적으로 반복해야 했기 때문에 영상획득 속도가 느려 살아있는 동물의 관찰에 적용하긴 어렵다는 점이었다.
 
이번 연구진은 이러한 제한점을 해결하기 위해 물체광과 참조광을 동조시키는 방식으로 기존보다 데이터 획득 속도를 수십 배 이상 향상시켰고 초고속 홀로그램 현미경을 이용해 형광표지 인자를 사용하지 않고 살아있는 제브라피쉬의 후뇌부에서 고해상도 뇌신경망 영상을 얻는 데 성공했다.
 
연구과정을 보면 초고속 스캐닝 홀로그램 현미경 기술을 개발하고 하드웨어적인 보정 없이 수치적 연산으로 파면왜곡을 극복하여 비표지 방식의 적응광학을 구현했다.
 
또 단일 산란파를 이용해 다중 산란을 극복하는 단일 산란 축적 현미경 기술을 개발한 사례가 있어 이 연구를 통해 반사행렬과 단일산란을 이용하는 방법론을 발전시켰다.
 
이 연구결과에 의하면 초당 10장 정도의 이미지를 획득하는 기존 기술과 달리 연구진이 개발한 초고속 홀로그램 현미경은 초당 500장 정도의 데이터를 획득했다.
 
최원식 부연구단장은 “기존 광학 현미경 기술의 깊이 한계를 한 단계 뛰어넘은 것”이라며 “이 기술이 향후 뇌신경과학뿐 아니라 다양한 의·생명 융합 연구와 정밀 측정이 필요한 산업분야에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
 
이 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878)에 7월 17일 게재됐다.


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