신경망의 추적 관찰이 가능한 홀로그램 현미경 개발

-생후 3주부터 12주까지 살아있는 쥐 두개골 속 신경망 관찰 -


기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 최원식 부연구단장(고려대학교 물리학과 교수)과 부산대학교 윤석찬 교수(의생명융합공학부 조교수), 포항공대 김기현 교수(기계공학과 교수) 공동연구팀은 연구팀은 쥐의 두개골을 관통해 깊이 있는 신경망 구조를 고해상도로 이미징 할 수 있는 새로운 광학 현미경 기술을 개발했다. 1.3 μm 펄스 레이저 광원으로 고심도 이미징이 가능한 이미징 시스템을 구성하고, 켤레 적응 광학 알고리즘을 개발하여 두개골의 넓은 영역의 수차 보정을 가능하게 했다. 그 결과, 반사 이미지를 이용한 광학 현미경으로는 세계 최초로 두개골 내부의 650 μm 까지 신경섬유의 고해상도 이미지를 얻을 수 있었으며, 건강한 쥐의 생후 3주부터 12주까지 같은 영역을 추적 관찰하여 실용적인 뇌 질환 연구의 플랫폼이 될 수 있음을 보였다. 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, IF 17.694) 2023년 1월 6일자 온라인 판에 게재됐다.


논문명: Computational conjugate adaptive optics microscopy for longitudinal through-skull imaging of cortical myelin


저자 정보 : Yongwoo Kwon, Jin Hee Hong, Sungsam Kang, Hojun Lee, Yonghyeon Jo, Ki Hean Kim, Seokchan Yoon and Wonshik Choi











[그림 1] 1.3 μm 레이저 반사행렬 현미경 개요

IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 반사 행렬 현미경’. 1.3 μm 광원으로 간섭계를 구성하여 고심도 이미징이 가능하고, 빠른 카메라와 새로 개발한 수차 보정 알고리즘을 이용해 살아있는 쥐의 신경망의 추적 관찰연구가 가능했다.





[그림 2] 켤레 적응 광학 알고리즘의 작동 원리

일반적인 이미징 시스템의 경우 광원과 디텍터의 평면이 샘플 평면과 켤레면에 위치하며, 반사행렬은 위 환경에서 측정된다(a). 전파행렬을 이용하면 소프트웨어적으로 반사행렬의 입력과 출력단을 샘플 평면으로부터 쥐 두개골의    평면으로 변환할 수 있다(b). 변환된 반사행렬을 이용하여 수차 보정 기술을  적용하면 기존보다 넓은 영역의 보정이 가능해진다.






[그림 3] 두개골 내부 깊이 관찰한 살아있는 쥐의 뇌 신경망

1.3 μm 반사행렬 현미경과 켤레 적응 광학 알고리즘을 이용하여 살아있는  두개골 내부 깊은 곳에 있는 쥐의 3D 신경망 영상획득에 성공하였다(a). 수차  보정 전의 기존 광학 현미경 기술로는 뇌의 표면(41-56 μm 깊이)에서도 이미 신경섬유의 형체가 불분명했으며 매우 깊은 곳(500 μm 이상의 깊이)에서는   아예 영상을 얻을 수 없었다(b). 하지만 연구진이 개발한 알고리즘을 적용하면 최대 650 μm 깊이까지의 전체 깊이에서 고해상도로 신경망 이미지를 얻을 수 있었다©.








[그림 4] 시간에 따라 두개골 내부 신경 섬유의 추적 관찰

두개골을 제거하는 방식과는 다르게 최소한의 수술을 필요로 하므로 회복시기가 짧아 매우 어린 시기(생후 3)부터 지속적인 관찰이 가능하다.    그 결과 생후 33일부터 74일까지 같은 영역의 추적관찰 하여 건강한 쥐에서 새로운 신경섬유가 생겨나는 과정을  볼 수 있었다(a). 켤레 적응 광학 기술의 적용으로 인해 신경섬유 길이의 정량적인 측정이 가능해져 여러 마리의  쥐에 대해 길이의 경향성에 대해 확인할 수 있었다(b).