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).
![다광자 현미경 심층 이미징의 구면 수차 보정](https://static2.olympus-lifescience.com/data/Image/Content/blog/multiphoton-micro/mpdi-1.jpg?rev=7416)
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.
![다광자 현미경을 사용한 살아 있는 쥐의 시각 피질의 심층 이미징](https://static2.olympus-lifescience.com/modules/imageresizer/0e0/8f2/ec01f055d9/840x440p590x309.png.jpg)
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.
![가지돌기가시의 체내 심층 이미징](https://static3.olympus-lifescience.com/data/Image/Content/blog/multiphoton-micro/invivo-di-1.jpg?rev=BD0D)
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.