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- 물리학과 최원식 교수 연구팀 초고속 홀로그램 현미경,“2020년 국가연구개발 우수성과 100선 선정”

과학기술정보통신부와 한국과학기술기획평가원에서 실시하는「2020년 국가연구개발 우수성과 100선」에 물리학과 최원식 교수의 연구가 지난 10월 선정되었다. 우수성과 100선은 국가 발전을 견인해 온 과학기술의 역할에 대해 국민들의 이해와 관심을 제고하고 과학기술인들의 자긍심을 고취하고자 2006년부터 매년 선정해 오고 있다. 올해는 정부지원을 받아 수행한 약 7만 여 연구개발(R&D) 과제(‘19년 기준) 중, 각 부‧처‧청이 추천한 총 780건의 후보 성과를  대상으로 산‧학‧연 전문가들로 구성된 우수성과 선정평가위원회에서 질적 우수성을 평가한 후, 대국민 공개 검증을 거쳐 최종 100건의 우수 성과를 선정하였다. 우수 성과로 선정된 연구의 내용은 다음과 같다.

신경망까지 꿰뚫어보는 초고속 홀로그램 현미경, “살아있는 제브라피쉬의 뇌 속 신경망 관찰”

연구배경 및 필요성: 생체 조직 내부 고해상도 영상 기술의 어려움

생체조직은 다양한 세포들로 이뤄진 복잡한 내부 구조로 인해 진행하는 빛의 파면을 왜곡시킨다. 이런 파면왜곡 현상 때문에 일반적인 광학 현미경은 생체조직 내부 깊은 곳까지 관찰하기 어렵다. 살아있는 생물체의 깊은 곳까지 영상을 획득하기 위해서는 특정 깊이에서 돌아오는 빛의 파면을 빠르게 측정하고 이를 이용해 신속하게 파면왜곡을 제거하는 것이 중요하다. 그러나 기존 기술들은 파면을 측정하고 제어하는 일을 하드웨어적으로 반복 수행해야 했기 때문에 영상속도가 느리다는 문제가 있었다.

기술의 내용 및 성과의 차별성 · 우수성: 살아있는 동물 뇌신경망 3차원 영상

기존 기술은 파면을 측정하는 속도가 느리고 파면왜곡 보정을 하드웨어적으로 반복해야 했기 때문에 영상획득 속도가 느려 살아있는 동물을 관찰하기는 어려웠다. 연구진은 물체광과 참조광을 동조시키는 방식으로 10장 정도의 이미지를 획득하는 기존 기술과 달리, 연구진이 개발한 초고속 홀로그램 현미경은 초당 500장 정도의 데이터를 획득한다. 또한 파면을 측정하고 제어하는 반복적인 하드웨어 처리과정 없이 새로운 이미지 분석 알고리즘으로 초점의 광신호를 백배 이상 증가시킬 수 있었다. 연구진은 초고속 홀로그램 현미경을 이용해 형광표지 인자를 사용하지 않고 살아있는 제브라피쉬의 후뇌부에서 고해상도 뇌신경망 영상을 얻는 데 성공했다. 기존 대다수의 광학현미경 기술은 주로 부화한지 1주일 이내인 어린 제브라피쉬에 형광물질을 주입해 신경섬유 구조를 파악하는 수준에 머물러 있다. 제브라피쉬가 성장할수록 후뇌부를 덮는 부위에 비늘이 두껍게 형성돼 내부를 파악하기 어려웠기 때문이다. 이에 반해 이번 연구에서 개발된 기술은 수 주 이상 성장한 제브라피쉬에서 비표지 방식으로 중추신경계의 고해상도 신경망 영상을 획득할 수 있었다.

기술의 내용 및 성과의 차별성 · 우수성: 살아있는 동물 뇌신경망 3차원 영상

기존 기술은 파면을 측정하는 속도가 느리고 파면왜곡 보정을 하드웨어적으로 반복해야 했기 때문에 영상획득 속도가 느려 살아있는 동물을 관찰하기는 어려웠다. 연구진은 물체광과 참조광을 동조시키는 방식으로 10장 정도의 이미지를 획득하는 기존 기술과 달리, 연구진이 개발한 초고속 홀로그램 현미경은 초당 500장 정도의 데이터를 획득한다. 또한 파면을 측정하고 제어하는 반복적인 하드웨어 처리과정 없이 새로운 이미지 분석 알고리즘으로 초점의 광신호를 백배 이상 증가시킬 수 있었다. 연구진은 초고속 홀로그램 현미경을 이용해 형광표지 인자를 사용하지 않고 살아있는 제브라피쉬의 후뇌부에서 고해상도 뇌신경망 영상을 얻는 데 성공했다. 기존 대다수의 광학현미경 기술은 주로 부화한지 1주일 이내인 어린 제브라피쉬에 형광물질을 주입해 신경섬유 구조를 파악하는 수준에 머물러 있다. 제브라피쉬가 성장할수록 후뇌부를 덮는 부위에 비늘이 두껍게 형성돼 내부를 파악하기 어려웠기 때문이다. 이에 반해 이번 연구에서 개발된 기술은 수 주 이상 성장한 제브라피쉬에서 비표지 방식으로 중추신경계의 고해상도 신경망 영상을 획득할 수 있었다.

과학기술적 파급효과: 3차원 생체영상 현미경 기술 한계 극복

기존의 적응광학 기술은 영상 획득을 위하여 파면측정 또는 제어를 반복적으로 수행해야하기 때문에 데이터 획득이 느리고, 복잡한 왜곡을 제거하기가 어려웠다. 연구에서는 새로운 형태의 시분해 홀로그램 현미경을 개발하여 기존보다 50배 빠른 속도로 한 세트의 반사 이미지를 얻을 수 있게 하였다. 더 나아가 새로운 이미지 분석법을 개발하여 한 번의 측정만으로 수차를 제거하고, 고해상도 영상을 획득할 수 있게 하였다. 새로운 기술은 기존에 관찰할 수 없던 수 주 이상 성장단계에서 형광 표지 없이 고해상도 측정을 가능하게 하였다. 본 연구는 기존 광학 현미경 기술의 영상 가능 깊이의 한계를 한 단계 뛰어넘어 deep-tissue 광학 현미경의 새로운 방향을 제시하는 것으로, 향후 뇌신경과학뿐 아니라 다양한 의생명 융합 연구와 정밀 측정이 필요한 산업분야에 큰 기여를 할 수 있을 것이다.

경제사회적 파급효과: 비침습적 영상기술의 초정밀 측정 및 의료기기 분야 응용

제안 기술은 생체조직에 의한 복잡한 광학수차를 보상할 수 있어 기존 기술로는 획득할 수 없는 고해상도 영상을 제공한다. 이 연구는 홀로그램 영상 기술에서 고심도 이미징이라는 새로운 분야를 개척했다는 의미가 있으며, 향후 의생명과학 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대한다. 특히 형광 표지를 하지 않고도 중추 신경계나 뇌신경 조직에서 나노구조를 영상화할 수 있다는 것이 큰 장점인데, 이 덕분에 뇌과학 분야의 다양한   연구에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다. 또한 내시경과 결합하면 인체 내부 조직에 대해 비표지 고심도 이미징을 할 수 있어 지금보다   더 정밀한 질병진단이 가능할 것으로 기대한다.

초고속 홀로그램 현미경 개념도

제브라피쉬 후뇌부(a)와 영역별 파면왜곡(b)

제브라피시 후뇌부 고해상도 신경망구조영상

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- 5th 'Art in Science' Prize Winner

Galaxy in fish eye 

by Jin Hee Hong, Yonghyeon Jo, Jaecheol Jo

- Prof. Wonshik Choi received a grand scholarship award from the Optical Society of Korea (Feb. 20, 2020)

- Our work, "Deep tissue space-gated microscopy via acousto-optic interaction," is published at Nature Communications (Feb. 05, 2020)

- Prof. Wonshik Choi became the Fellow of the Optical Society of America (2020)

- Our work entitled "Label-free neuroimaging in vivo using synchronous angular scanning microscopy with single-scattering accumulation algorithm" was published in Nature Communications on July 17, 2019

Abstract: Label-free in vivo imaging is crucial for elucidating the underlying mechanisms of many important biological systems in their most native states. However, the applicability of existing modalities has been limited to either superficial layers or early developmental stages due to tissue turbidity. Here, we report a synchronous angular scanning microscope for the rapid interferometric recording of the time-gated reflection matrix, which is a unique matrix characterizing full light-specimen interaction. By applying single scattering accumulation algorithm to the recorded matrix, we removed both high-order sample-induced aberrations and multiple scattering noise with the effective aberration correction speed of 10,000 modes/s. We demonstrated in vivo imaging of whole neural network throughout the hind- brain of the larval zebrafish at a matured stage where physical dissection used to be required for conventional imaging. Our method will expand the scope of applications for optical imaging, where fully non-invasive interrogation of living specimens is critical.

- Our work on 'focusing light energy to an embedded target in scattering media' was published at Nature Photonics on March 27, 2018

Title: Focusing of light energy inside a scattering medium by controlling the time-gated multiple light scattering
Abstract: The efficient delivery of light energy is a prerequisite for the non-invasive imaging and stimulating of target objects embedded deep within a scattering medium. However, the injected waves experience random diffusion by multiple light scattering, and only a small fraction reaches the target object. Here, we present a method to counteract wave diffusion and to focus multiple-scattered waves at the deeply embedded target. To realize this, we experimentally inject light into the reflection eigenchannels of a specific flight time to preferably enhance the intensity of those multiple-scattered waves that have interacted with the target object. For targets that are too deep to be visible by optical imaging, we demonstrate a more than tenfold enhancement in light energy delivery in comparison with ordinary wave diffusion cases. This work will lay a foundation to enhance the working depth of imaging, sensing and light stimulation.
See article at https://www.nature.com/articles/s41566-018-0120-9

Featured at IBS Research highlight

This work was introduced at a few local media including the one below.

- Our paper for deep-tissue adaptive optical imaging was published at Nature Communications (Dec 18, 2017)

Title: High-resolution adaptive optical imaging within thick scattering media using closed-loop accumulation of single scattering (Nature Communications 8, 2157 (2017))

Abstract: Thick biological tissues give rise to not only the multiple scattering of incoming light waves, but also the aberrations of remaining signal waves. The challenge for existing optical microscopy methods to overcome both problems simultaneously has limited sub-micron spatial resolution imaging to shallow depths. Here we present an optical coherence imaging method that can identify aberrations of waves incident to and reflected from the samples separately, and eliminate such aberrations even in the presence of multiple light scattering. The proposed method records the time-gated complex-field maps of backscattered waves over various illumination channels, and performs a closed-loop optimization of signal waves for both forward and phase-conjugation processes. We demonstrated the enhancement of the Strehl ratio by more than 500 times, an order of magnitude or more improvement over conventional adaptive optics, and achieved a spatial resolution of 600 nm up to an imaging depth of seven scattering mean free paths.

See the article at https://www.nature.com/articles/s41467-017-02117-8

This work was introduced at a few local newspapers. Here is one of them.

Implementation of plasmonic MIMO network published at Nature Communications

See the article at http://www.nature.com/articles/ncomms14636

- Yonghyeon got a best paper award, JOSK

- Prof. Wonshik Choi became Associate Director for IBS CMSD

- CASS microscopy published at Nature Photonics

See the article at http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n4/full/nphoton.2015.24.html

- Lensless single-fiber endoscope published in PRL

See the article at http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.203901
The work was also introduced at Research Highlights in  Nature

- First experimental realization of transmission eigenchannels published at Nature Photonics

See the article at http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n9/abs/nphoton.2012.159.html