[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

자연을 이해하려면 있는 그대로 자연현상을 관찰해야 한다. 특히 생명현상은 복잡하게 얽혀 있는 세포 간 상호작용의 결과물이라 자연 환경 그대로 관찰하는 것이 더욱 중요하다. 이러한 측면에서 가시광선을 이용하는 ‘광학 이미징(Optical Imaging)’은 매우 특별한 강점을 지닌다.

지구 위 대부분 생물체들은 태양광을 에너지원으로 사용한다. 이 때문에 생물체들은 가시광선 대역의 전자기파 스펙트럼에 대해 반응하도록 진화했다. 참고로 가시광선 대역의 전자기파 스펙트럼은 지구에 도달하는 태양광의 대부분을 차지한다. 다시 말해, 가시광선 대역의 빛은 세포를 거의 손상시키지 않으며 오히려 특정 단백질은 빛에 반응해 빛을 방출하기도 한다.

이런 특성 덕분에 광학 이미징은 비침습적임과 동시에 분자 선택성을 얻게 된다. 이뿐만 아니라 시간과 공간 분해능 모두 뛰어난 특성을 지니고 있다. 이러한 특성은 엑스선(x-ray)이나 MRI, 초음파 등 다른 신호를 이용하는 이미징 기술과 차별되는 강점들이다. 이 때문에 고해상도 생물현미경은 대부분 빛에 기반해 작동하게 된다.

하지만 광학 이미징은 침투력 한계를 가지고 있다. 일반적으로 실험실에서 사용하는 광학 현미경은 슬라이드 글라스 위에 시료(sample)을 올려놓고 관찰하며 이미지를 얻는다. 이때 시료에서 얻을 수 있는 이미지는 배양된 단위세포이거나 매우 얇게 잘라낸 조직의 일부분이다. 빛이 생체 조직 속으로 깊숙하게 침투하지 못하기 때문에 고해상도 이미지를 얻을 수 있는 생체조직의 두께에도 한계가 있다. 결국 현재의 광학 이미징의 상황은 세포를 하나씩 따로 보기 위해서가 아니라 ‘살아있는 생체 조직 내부에 있는 세포를 고해상도로 직접 보기 힘들기 때문에’ 생긴다.

이런 어려움은 생체 조직에 의한 복수산란 때문에 발생한다. 세포 내부는 대부분 물로 이뤄진다. 하지만 복잡한 모양의 세포막과 세포 내 소기관들은 지질, 단백질 등으로 구성된다. 여기서 중요한 점은 이들 물질의 굴절률이 다르다는 것이다. 서로 다른 물질이 만나는 경계면에서는 빛의 굴절이 일어난다. 그런데 물질마다 입사되는 빛의 경로가 달라지면 고해상도 이미지를 얻기 어렵다. 광학 현미경에서 렌즈의 역할은 입사되는 빛의 경로를 수렴하는 구면파로 바꿔 목표 지점에 광초점을 형성하는 것이다. 이때 광초점의 크기에 따라 이미지 해상도가 결정된다. 만약 빛의 경로가 복수산란에 의해 일그러질 경우 광초점 형성을 위한 조건이 무너진다. 이 때문에 현재까지 살아있는 생체조직 깊숙이 살펴볼 수 있는 고해상도 광학 이미지를 얻는 일은 매우 어려운 문제였다.

이번 연구에서는 생체 조직에 의해 왜곡되는 빛의 파면을 측정해, 입사되는 빛의 파면을 특수하게 설계했다. 이를 통해 생체 조직에 의한 복수산란을 상쇄시킬 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 이를 살아있는 쥐의 뇌 연구에 적용해 현재까지 발표된 적 없는 넓은 영역에 대한 복수산란이 보정된 실시간 고해상도 이미징을 구현했다.

2. 연구내용

현재 조직검사의 예에서 볼 수 있듯 생체 조직을 진단 또는 연구하려면 시료를 얇은 절편으로 잘라내야 한다. 빛이 두꺼운 생체 조직을 통과할 수 없기 때문이다. 하지만 이런 접근 방법을 뇌 같은 특수한 기관에 그대로 적용하기는 어렵다. 뇌 활동을 이해하려면 넓은 영역에 분포된 뇌세포 사이의 역동적인 연결 관계를 직접 봐하기 때문이다.

이번 연구에서는 ‘비침습적인 현미경 시스템’을 개발해 살아있는 쥐의 뇌 속 깊숙한 부분까지 고해상도로 볼 수 있는 기술을 개발했다.

광학 이미징에서 해상도는 결국 얼마나 작은 광초점을 만들 수 있느냐에 달려 있다. 이는 일반적으로 얼마나 좋은, 더 정확히 말하자면 개구수가 높은 렌즈를 사용하느냐의 문제다. 개구수가 클수록 현미경으로 분별할 수 있는 최소의 길이는 작아진다. 그러나 심부조직(deep tissue) 이미징에는 개구수가 높은 렌즈를 사용해도 더 좋은 해상도를 얻을 수 없다. 빛이 생체조직을 통과하면서 여러 번 산란돼 기존에 목표했던 경로를 벗어나기 때문이다.

이처럼 빛이 목표 경로를 벗어나게 되면 광초점 형성이 어려워진다. 광초점은 빛의 파동성에 입각해 하나의 목표 지점에서만 ‘보강 간섭’이 일어나도록 빛의 파면을 조절해 만들 수 있다. 보강 간섭은 같은 위상의 두 파동이 중첩될 때의 간섭이다. 마루와 마루 또는 골과 골이 만나서 합성된 파동의 진폭은 2배로 커지는 현상이다. 렌즈가 바로 이런 일을 해 광초점을 만들고 해상도를 높인다.

그러나 빛이 기존 경로를 벗어나면 광경로 차이가 발생해 목표 지점에서 보강 간섭 조건이 무너진다. 예를 들어 미로에서는 최단 경로로 통과하는 길이 하나만 존재한다. 그런데 여러 명의 참가자들이 미로를 통과하게 되면 상당수의 참가자들은 서로 다른 길을 헤매고, 몇몇의 참가자들은 어렵게 출구를 찾을 것이다. 또 대부분의 참가자들은 출구를 찾지도 못할 것이다. 여기서 출구를 찾지 못한 참가자들을 심부에 도달하지도 못한 빛의 양이라고 생각할 수 있다. 심부에 도달하지 못한 빛은 당연히 광초점 형성에 관여하지 못한다.

출구를 찾은 참가자들은 심부조직 깊숙한 목표지점에 도달한 빛이라고 생각할 수 있다. 그러나 이 경우 역시 대부분 참가자들이 서로 다른 길을 이용했기 때문에 출구에 도착하기까지 걸린 시간이 서로 다르다. 다시 말해, 목표 지점에 도달한 빛의 위상이 서로 달라져서 고해상도 광초점 형성을 위한 조건이 무너지게 된다.

이를 해결하기 위한 방법은 간단하다. 모든 참가자들에게 미로의 최단경로를 알려줘 그 경로로만 가도록 하는 것이다. 빛의 경우도 입사되는 파면의 모양을 특수하게 설계해 복수산란에 의한 빛 경로의 일그러짐을 상쇄시킬 수 있다. 이런 기술을 적응광학(adaptive optics)이라 부른다.

하지만 미로의 최단경로는 특정 미로에만 적용 가능하다. 만약 완전히 다른 미로가 있다면, 전혀 다른 최단경로를 또 찾고 이를 참가자들에게 알려줘야 한다. 이 문제가 생체 심부 이미징의 가장 큰 난제였다. 같은 생체조직 내부라도 바로 옆 지점에 광초점을 형성하려면 빛이 통과해야하는 덧씌워진(overlaying) 생체조직이 완전히 바뀌게 된다.

생체 조직을 이루는 세포 종류가 같아도 위치마다 분포와 모양은 전혀 다르다. 이 때문에 넓은 영역에 대한 고해상도 이미지를 얻기 위해서는 각 위치마다 순차적인 복수산란 제어가 필요하다. 이를 위한 특수한 파면 모양을 매번 다시 측정하고 구현해야 한다는 게 큰 어려움이었다.

이런 어려움을 해결하기 위해 이번 연구에서는 생체조직의 위치별 복수산란을 독립적으로 상쇄시킬 수 있는 다개구(multi-pupil) 현미경 시스템을 세계 최초로 개발했다. 일반적인 현미경에서는 하나의 대물렌즈로 샘플 전체를 관찰하고 이미지를 얻는다. 이와 달리 이번 연구에서는 샘플의 서로 다른 영역을 서로 다른 대물렌즈로 관찰하는 효과를 얻을 수 있도록, 현미경의 개구면(pupil plane)을 여러 개로 확장했다. 이를 이용해 각각의 개구마다 파면을 독립적으로, 측정 제어해 더 넓은 영역(450㎛x450㎛)에 대한 실시간 이미징 구현이 가능했다.

더 나아가 하나의 현미경 안에 총 9개의 독립적인 개구를 구현해 서로 다른 깊이에 대한 정보를 동시에 추출할 수 있는 실시간 다면(non-planar) 이미징을 구현했다. 이를 이용해 뉴런의 고해상도 구조 분석, 뉴런의 활성신호 분석, 미세아교세포의 면역 활동 실시간 관찰, 혈관의 깊이별 동역학 등을 분석했다.

3. 기대효과

현재까지 대부분 광학 현미경 기술들은 실험실에서 배양된 세포들의 관찰에 묶여있다. 이는 생체조직 내부를 빛이 통과하며 생기는 파면의 일그러짐으로 인해 두꺼운 샘플의 경우 고해상도 이미징을 구현하기 어렵기 때문이다.

이번 연구에서는 이 문제점을 해결할 수 있는 신개념 다개구 보정광학 현미경을 개발했다. 이는 살아있는 생체 내부의 심부 조직도 고해상도로 실시간 관찰할 수 있는 창이다.

이 시스템의 성능을 선보이기 위해 생체 조직 중 산란이 매우 심해 심부 이미징이 어렵기로 대표적인 뇌 조직에 대한 다양한 분석을 수행했다. 생체 조직에 의한 산란의 문제는 모든 조직의 보편적인 특성이므로 향후 본 기술을 이용해 다양한 생체 조직에 바로 적용할 수 있을 것이다.

이는 생명현상을 자연 상태 그대로 관찰할 수 있게 할 것이며, 현재 대부분 연구실에 국한돼 있는 현미경 기술을 임상으로 확대시킬 계기가 될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 빛의 위상

위상(phase, 位相)은 진동이나 파동 같이 주기적으로 반복되는 현상에 대해 어떤 시각 또는 어떤 장소에서의 변화의 국면을 가리키는 물리학 용어다. 빛의 위상은 파동성을 보여주는 대표적인 성질로 간섭의 바탕이 된다. 서로 다른 빛의 파장의 위상이 맞을 경우 보강간섭이 일어나며, 위상이 반대일 경우 상쇄간섭이 일어난다. 빛의 위상이 같은 공간상의 면을 ‘파면(wave front, 波面)’이라 부르며, 파면의 모양에 따라 빛의 진행 경로 또한 바뀌게 된다.

2. 복수 산란

서로 다른 굴절률을 가진 두 물질의 경계면에서는 빛이 굴절하게 된다. 만약 경계면이 평면이 아니고 특수한 모양, 그리고 크기를 갖게 된다면 빛이 해당 모양과 크기에 따라 서로 다른 각도로 산란된다. 굴절률이 서로 다른 입자들이 무수히 많이 분포해 산란이 여러 번 일어날 경우를 복수산란이라고 부른다. 복수산란 이후에는 처음 입사됐던 파면과 전혀 다른 무작위적인 파면이 나온다.

3. 개구(pupil)

현미경에서 이미지의 공간상 정보가 주파수 정보로 바뀌는 면을 말한다. 일반적으로 하나의 현미경에서는 하나의 개구가 이미지 전체에 대한 정보를 내포하고 있다.

[붙임] 그림 설명