두개골 훼손없이 뇌조직 신경망 본다

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 두개골 훼손 없이 신경망을 관찰할 수 있는 기술을 내놨다.

기초과학연구원(IBS)은 최원식 분자 분광학·동력학 연구단 부연구단장 연구팀이 쥐의 두개골을 관통해 신경망 구조를 고해상도로 볼 수 있는 새로운 광학 현미경 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

반사행렬 현미경을 이광자 현미경에 접목한 실험.(자료=기초과학연구원)

빛이 생체 조직을 투과할 때 직진광과 산란광이라는 두 종류의 빛이 발생한다. 직진광은 생체 조직의 영향 없이 직진하는 빛이며, 이를 이용해 물체의 이미지를 얻을 수 있다.

반면, 산란광은 생체 조직 내 세포나 세포소기관으로 진행 방향이 무작위로 굴절된 빛이어서 이미지 획득을 방해한다.

생체조직 깊은 곳으로 빛을 전파하면 직진광에 비해 산란광이 강해져 이미지 정보가 흐려진다. 생체 조직이 마치 안개처럼 내부를 보기 어렵게 만든다. 게다가 산란 매질을 지나면서 직진광의 전파 속도가 각도에 따라 달라지는 광학 수차가 발생해 이미지 해상도를 떨어뜨린다.

뼈 조직은 내부에 미세한 구조들이 많아 빛의 산란이 심하고, 복잡한 광학적 수차를 유발한다. 때문에 광학 현미경으로 두개골 아래의 뇌 조직을 관찰하면 이미지가 왜곡되고 물체의 구조를 알아보기 어려웠다. 두개골을 제거하거나 얇게 갈아내야 뇌 조직의 신경망을 연구할 수 있었다.

연구진은 ‘반사행렬 현미경’을 새롭게 개발해 기존 현미경의 한계를 개선했다. 반사행렬 현미경은 빛의 초점에서만 신호를 획득하는 것이 아니라 초점으로부터 산란된 모든 빛을 측정하도록 설계됐다. 연구진이 개발한 알고리즘을 적용해 직진광만 선택해 추출하고, 기존 공초점 현미경으로 관찰할 수 없었던 약 1 마이크로미터 굵기의 가는 뇌 속의 미엘린 신경섬유들을 관측했다.

연구진은 이광자 현미경에 반사행렬 시스템을 접목한 결과, 쥐의 두개골 훼손 없이 신경세포의 수상돌기 가시의 고해상도 형광 이미지를 얻었다.

최원식 부연구단장은 “의료현장에서 사용하도록 현미경을 작게 만들고, 이미징 속도를 높이는 연구를 진행중”이라며 “광학 수차를 보정하는 방법을 더 발전시켜 빛의 산란 현상에 대한 이해를 높이고, 질병의 실시간 조기 진단 등 의생명 분야 활용 범위를 넓혀나갈 것”이라고 했다.

연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난달 12일자 온라인판에 게재됐다.