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성과명두개골 속 신경망 투시하는 홀로그램 현미경 개발

Through-skull brain imaging in vivo at visible wavelengths via dimensionality reduction adaptive-optical micros(Science Advances (IF: 14.980, 2021 기준))

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지원사업
기초과학연구원 지원사업
지원 기관
과학기술정보통신부
연구 기관
기초과학연구원
연구자
최원식, 김문석, 조용현, 이예령
발표일
2022-07-28
조회수
122

두개골 속 신경망 투시하는 홀로그램 현미경 개발


살아있는 쥐 두개골 속 80배 많은 빛 모아서… 형광 표지 없이 신경망 관찰



개요

기초과학연구원 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장과 가톨릭대 김문석 교수, 서울대 최명환 교수 공동연구팀은 살아있는 쥐의 두개골을 제거하지 않고도 뇌 신경망을 3D 고해상도로 관찰할 수 있는 홀로그램 현미경을 개발했다. 구결과는 국제학술지 사이언스 어드밴스(Science Advances, IF 14.136) 7월 28일자 온라인 판에 게재됐다.


연구 내용

연구진은 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 고안했다. 샘플에 입사하는 빛의 각도가 바뀔 때, 그에 따라 반사 파면을 측정하여 매질과 빛의 상호작용을 정량화하는 산란행렬을 분석하였다. 단일산란파과 다중산란파가 가지는 각각의
특성을 이용하여 단일산란파와 다중산란파를 서로 분리하고 다중산란파만을 선택적으로 제거할 수 있었다. 이때 Singular value decomposition(SVD)을 통해 수치적 연산과정을 거치는데, 이는 측정한 산란행렬의 기저(basis)를 재구성하여 투과 또는 반사되는 에너지가 큰 순으로 나열해 주며 그때의 새로운 기저를 고유모드(eigenchannel) 이라고 한다. 고유모드는 빛과 매질의 상호작용에 의한 특정한 공명 상태를 가진다. 연구진은 산란매질에서 고유모드 (eigenchannel)에 대한 선행연구를 오랜 시간 수행해왔다. 최초로 산란매질의 고유모드를 구하고 이를 실험적으로 구현하여 실제로 산란 매질을 투과하는 에너지를 극대화하고 샘플에 전달되는 에너지를 최대화한 바 있다. 이번 연구는 매질에서 고유모드를 통해 타겟에 전달되는 에너지를 극대화한 원리를 고심도 생체 영상 기술에 응용한 것이다.


기대 효과

고심도 생체 영상 기술은 광학 현미경 영상 기술 발전에 크게 기여할 것으로 예상된다.


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