과학자들이 정신과 신체가 작동하는 방식에 대한 새 통찰을 모색함에 따라 전에 없이 더 깊이 파고들어야 할 것입니다. 다광자 현미경이 바로 그렇게 하기 위한 기법으로 인기를 얻고 있습니다. 이 강력한 이미징 방법은 살아 있는 조직 내 심도 있는 동적 세포 이벤트의 3D 이미지를 비침습적으로 캡처할 수 있습니다.
하지만 연구원들은 다광자 심층 이미징 중에 발생하는 광학적 난제, 즉 구면 수차를 종종 간과합니다.
여기서는 다광자 심층 이미징의 구면 수차를 심도 있게 살펴보고 극복 방안에 대해 논의합니다.
구면 수차란 무엇인가요?
간단히 말해서 구면 수차는 광선이 구면 렌즈를 통과하고 다른 점에서 수렴될 때 발생하는 광학적 오차입니다. 광선이 하나의 초점에서 만나지 않기 때문에 이미지 밝기 및 해상도가 악화됩니다. 예를 들어, 심층적인 뇌 영역에서 구면 수차는 가지돌기가시 같은 미세 구조를 연구하기 어렵게 합니다.
다행스럽게도 현미경 대물렌즈 기술의 혁신은 이러한 오차를 보상할 수 있습니다. 과학자들은 대물렌즈의 보정환을 사용하여 내부 렌즈 요소의 위치를 이동하고 구면 수차를 해결할 수 있습니다. 하지만 심층 이미징 중 수동 보정환으로 구면 수차를 해결하는 것은 결코 간단하지 않습니다.
여기 두 가지 공통 문제가 있습니다.
- 다광자 시스템의 암실 환경으로 인해 보정환 위치를 보고 조정하는 것이 어렵습니다.
- 각 보정환 조정을 통해 대물렌즈의 효과적 초점 거리가 약간 변경됩니다.
이러한 문제와 함께 Z 스택 이미지의 용적 획득 중에 단일 위치보다 더 많은 것에 대한 보정환을 수동으로 조정하는 것이 비실용적이 되는 문제가 있습니다. 모든 심도에서 밝은 고해상도 이미지를 캡처할 능력을 제한할 수 있기 때문입니다.
이러한 어려움을 극복하려면 TruResolution 대물렌즈 같은 전동식 렌즈 시스템을 사용하는 것이 좋습니다. 다음은 두 가지 주요 이점입니다.
1. 사용자 작업을 간소화합니다.
다광자 현미경은 첨단 형광 이미징 기법이므로 일부 과학자의 경우 현미경 전문가 없이 이미지를 획득하는 것을 신뢰하지 않을 수 있습니다. 전동식 대물렌즈는 구면 수차 보정을 자동화하여 다광자 심층 이미징 실험의 사용자 작업을 크게 간소화할 수 있습니다. 작동 방법은 다음과 같습니다.
아래 이미지에서 볼 수 있듯이 기존 보정환의 회전 시 초점면이 바뀝니다(그림 A, 좌측). 이와 비교하여, 전동식 대물렌즈는 회전 각도에 따라 대물렌즈의 Z 위치를 자동으로 변경합니다. 또한 이미지 대비 같이 객관적으로 측정된 수량에 따라 보정환을 최적화합니다(그림 B, 우측).
이러한 혁신적 기술을 이용하여 소프트웨어 컨트롤은 외부 조건의 범위에서 사용자 작업을 간소화합니다.
살아 있는 쥐의 시각 피질 내 소교 세포 100μm 깊이 아래의 두 이미지의 차이를 볼 수 있습니다. 자동 보정환 보정 후에 획득된 이미지(우측)가 보정환 조정 전에 획득된 이미지(좌측)와 비교하여 더 밝으며 미세한 사상위족 같은 돌출부를 더 잘 해상합니다.
이미지 제공: 매사추세츠 공과 대학(MIT)의 Mitchell Murdock
2. 모든 심도에서 밝고 선명한 이미지를 제공합니다.
자동 보정환은 생물학적 조직 내부 깊숙이 더 밝은 이미지와 더 미세한 특징을 캡처하도록 광학 보정을 심도 및 굴절률 분포에 맞춰 조정할 수 있습니다.
예를 들어 신경과학자들은 뇌의 심층 영역에 있는 가지돌기가시 머리와 목 같은 초미세 특성의 구조적 형태에 관심이 있습니다. 그들은 더 맑고 더 선명한 이미지로 이들 가지돌기가시의 특징을 더 잘 나타내어 연구 학습 및 기억에 기여할 수 있습니다.
이것의 실제 모습은 다음과 같습니다. 최근 연구에서 연구원들은 유리 두개골 창을 사용하여 준비된 마취된 쥐의 감각 피질의 체내 관찰을 수행하였습니다.
이미지 제공: RIKEN BSI-Olympus의 Hiromu Monai, Hajime Hirase 및 Atsushi Miyawaki.
자동 TruResolution 대물렌즈로 캡처된 이미지(상단 우측, B)는 표면에 고정된 보정환으로 획득된 이미지(중앙 우측, C)와 비교하여 해상도 및 밝기가 더 높은 것이 특징입니다.
TruResolution 대물렌즈에서 향상된 이미지 품질은 고정된 보정환으로 캡처된 이미지(하단 우측, E) 보다 더 쉽게 가지돌기가시 세부를 관찰할 수 있게 해줍니다(하단 좌측, D).
심층적 발견
심층적인 레벨의 다광자 이미징을 통해 연구원들은 알츠하이머, 파킨슨 및 여러 경화증 같은 신경 질환 및 질병의 이해를 높일 수 있습니다. FVMPE-RS 다광자 레이저 스캐닝 현미경의 전동식 대물렌즈는 사용자가 세부에 초점을 맞추어야 하는 맑고 밝은 정밀한 이미지를 제공하며 이를 통해 일생일대의 발견을 할 수 있습니다.
