[과학을 읽다]홀로그래피 영상으로 뇌 질환 연구

카이스트 연구팀 개발

▲일반 현미경과 홀로그래피 현미경 비교.[사진제공=카이스트]

[아시아경제 정종오 기자] 카이스트(KAIST) 연구팀이 알츠하이머 정량화가 가능한 홀로그래피영상 기술을 개발했습니다. 뇌 질환 연구에 도움을 받을 수 있습니다. 박용근 카이스트 물리학과 교수와 정용 바이오및뇌공학과 교수 공동 연구팀이 홀로그래피 영상 기술을 이용해 알츠하이머 질환을 정량적으로 연구할 수 있는 광학 기술을 내놓았습니다.

뇌 구조는 뇌 기능은 물론 질병과 밀접한 관련을 갖고 있습니다. 알츠하이머에 걸린 뇌는 회백질과 해마에 아밀로이드 반점이나 신경 섬유 엉킴과 같은 비정상적 구조를 갖습니다. 이 때문에 뇌 영상 촬영 기술은 신경과학에서 꼭 필요합니다.

뇌 관련 질병의 치료를 위해 자기공명영상(MRI)이나 양전자 단층 촬영(PET)과 같은 기존 영상 촬영 기술들을 많이 활용하고 있습니다. 0.1밀리미터 이하의 세밀한 구조는 관찰하기 힘들다는 한계가 뚜렷합니다. 이를 보완하기 위해 조직 병리학 기법을 이용해 뇌의 단면 구조를 관찰했는데 뇌 조직이 투명하기 때문에 촬영을 위해선 염색 과정을 거쳐야 합니다. 이 과정에서 왜곡이 발생합니다.

조직 병리로 얻은 정보는 정성적 정보가 대부분이기 때문에 질병 진단에 필요한 정량적, 객관적 기준을 제공하기 어려웠습니다. 문제 해결을 위해 연구팀은 먼저 홀로그래피 현미경 기술을 통해 뇌 구조의 정보를 정량적으로 분석했습니다. 연구팀의 홀로그래피 현미경은 빛의 간섭을 이용해 별도의 염색 과정 없이 조직의 굴절률 분포 수치 영상을 계산할 수 있습니다.

조직 샘플을 투과한 빛은 굴절률 분포에 따라 특정한 산란 과정을 겪습니다. 굴절률 분포를 토대로 연구팀은 뇌 조직 내에서 빛이 산란되는 평균 거리와 산란광이 퍼지는 방향성을 정량화했습니다. 연구팀은 산란 평균 거리와 방향성 분포를 이용해 알츠하이머 인자를 가진 쥐의 뇌 조직에서 발생하는 구조 변화와 정도를 정량적으로 수치화했습니다.

그 결과 알츠하이머 모델의 해마와 회백질의 산란 평균 거리와 방향성이 정상 모델에 비해 더 낮아지는 것을 확인했습니다. 해마 내 산란되는 평균 거리는 약 40%가 감소했습니다. 이는 해마와 회백질 구조가 알츠하이머병에 의해 손상되고 불균일해지기 때문으로 해석됩니다.