▲ 가톨릭대학교 의과대학 의생명과학교실 김문석 교수

가톨릭대학교 의과대학은 30일, 의생명과학교실 김문석 교수가 기초과학연구원 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장(고려대학교 물리학과 교수), 서울대학교 생명과학부 최명환 교수와의 공동 연구를 통해 살아있는 쥐의 두개골을 제거하지 않고도 뇌 신경망을 3D 고해상도로 관찰할 수 있는 홀로그램 현미경을 개발했다고 밝혔다.

빛을 이용해 우리 몸 깊은 곳을 관찰하기 위해서는 충분한 빛 에너지를 전달해 반사되는 신호를 정확하게 측정해야 하지만, 생체 조직에서 빛은 다양한 세포들에 부딪히며 생기는 다중산란 현상과 이미지가 흐릿하게 보이는 수차(굴절되는 정도에 따라 빛의 도달 속도가 달라져서 빛이 상을 맺힐 때 한 점에 모이지 않아 이미지가 퍼지거나 흐릿하게 일그러지는 현상)로 관찰이 쉽지 않다. 

생체 조직 같은 복잡한 구조에서 빛은 여러 번 무작위하게 진행방향을 바꾸는 다중 산란을 겪는데, 이 과정에서 빛이 가진 영상 정보를 잃어버린다. 

▲ 입사각에 따른 반사 신호의 특성. 물체의 크기가 작거나 선형 구조일 경우, 입사각이 바뀌었을 때 측정되는 단일산란파의 반사 신호의 파형은 비슷하게 유지된다(A). 하지만 다중산란파의 반사 신호의 파형은 서로 유사성 없이 변화한다(B). 이러한 파면사이 특성을 이용하면 단일 산란 성분과 다중 산란 성분을 서로 분리해낼 수 있다.

비록 아주 적은 양이더라도 보고자 하는 물체와 한번 부딪쳐 반사된 빛(단일 산란파)만 골라 수차로 인한 파면(Wavefront : 파동의 위상이 같은 모든 점들을 연결할 때 이뤄지는 면. 가령, 잔잔한 호수에 돌을 던져 생기는 물결의 파면은 원형이다)왜곡을 보정해주면 깊은 곳까지 관찰할 수 있다. 

하지만, 다중 산란파가 이를 방해하기에 고심도 생체 영상을 얻기 위해서는 방해꾼인 다중 산란파를 제거하고 단일 산란파의 비율을 증가시키는 것이 중요하다. 

▲ 고심도 3차원 홀로그램 현미경 모습

공동 연구팀은 2019년에 다중 산란을 제거하고 빛의 세기와 위상을 동시에 측정할 수 있는 시분해 홀로그램 현미경 시분해 홀로그램 현미경(2개의 레이저광이 서로 만나 일으키는 빛의 간섭효과를 이용해 빛의 진폭과 위상을 파악하는 기술. 특히 시분해 홀로그램 현미경은 간섭의 길이가 10㎛ 정도로 매우 짧은 광원을 이용해서 특정 깊이에서 광신호를 선택적으로 획득할 수 있다)을 최초로 개발하고 절개 수술 없이 살아있는 물고기의 신경망을 관찰한 바 있다. 

▲ 고심도 3차원 홀로그램 현미경 사용 모습. IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 고심도 3차원 홀로그램 현미경. 기존보다 타겟 광신호 비율을 증가시키고 영상획득 속도와 깊이를 증가시켜 살아있는 생물체의 신경망까지도 관찰 가능하다.

하지만 물고기보다 두꺼운 두개골을 가진 쥐의 경우 두개골에서 발생하는 심한 빛의 왜곡과 다중산란으로 두개골을 제거하거나 얇게 깎아내지 않고는 뇌 신경망 영상을 얻을 수 없었다.

연구팀은 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 고안했는데, 이는 매질(파동을 전달시키는 물질)의 고유모드를 분석하는 수치연산으로 빛의 파면 사이에 보강간섭(같은 위상의 파동이 중첩될 때 일어나는 간섭)을 극대화하는 공명 상태를 찾아내는 방법이다. 

▲ 두개골을 제거하지 않고 관찰한 살아있는 쥐의 뇌 신경망. 살아있는 쥐의 피부만 제거하고 두개골이 존재하는 상태에서 가시광선 영역의 파장 광원을 사용하여 뇌 신경망 영상획득에 성공하였다(A). 기존의 기술로는 두개골에서 발생하는 많은 다중 산란파 때문에 수차를 보정할 수 없어서 뇌 신경망의 영상을 얻을 수 없었다(B). 하지만 연구진이 개발한 기술로 다중 산란 성분만을 선택적으로 제거하여 수차를 찾을 수 있었고(D), 이를 보정해 주어서 뇌 신경망 영상을 얻을 수 있었다(C).

즉, 이러한 방법으로 뇌 신경망에 기존보다 80배 많은 빛을 모으고, 불필요한 신호를 선택적으로 제거해 단일 산란파의 비율을 수십 배 증가시켰다. 

▲ 쥐의 두개골 내부와 뇌 신경망의 3차원 영상. 새로운 기술로 측정한 쥐의 두개골 내부의 골세포 영상(A, B)과 두개골 밑에 존재하는 뇌 신경망 영상(C).

연구팀은 기존 기술로는 불가능했던 깊이에서도 빛의 파면 왜곡을 보정했으며, 쥐의 두개골을 제거하지 않고도 가시광선 대역의 레이저로 형광 표지 없이 두개골 밑에 존재하는 뇌 신경망 영상을 고해상도로 얻는 데 성공했다.

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

또한 "향후 뇌신경과학을 포함한 다양한 의ㆍ생명 융합 연구와 정밀 측정이 필요한 산업분야에 파급효과를 가져올 것으로 기대하고 있다"라고 말했다.

공동 연구팀의 이번 연구 결과는 'Through-skull brain imaging in vivo at visible wavelengths via dimensionality reduction adaptive-optical microscopy' 라는 제목으로 국제 학술지 《Science Advances(IF=14.136)》 7월 28일자 온라인 판에 게재됐다.