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BRAIN
 

BRAIN

광학과 뇌 진단 기술의 첨단화

인간의 뇌는 인체 내에서 가장 강력한 기능을 수행하는 기관입니다. 신경계의 중심축으로서 신체의 자발적/비자발적 기능들을 총체적으로 제어하는 역할을 바로 뇌가 담당합니다. 이외에도 기타 신체 조직의 기능을 조절하고 근육을 활성화하며 호르몬의 분비를 통제합니다. 뇌를 비롯해 이를 구성하는 수백만 개의 뉴런은 단순 반사 신경에서 감각의 유입에 이르기까지 이들을 항시 관리하고 제어합니다. 광학과 의료 진단 기술이 진보해가면서, 뉴런과 신경아교세포의 상호 작용을 이전보다 더 자세히 파악할 수 있게 되었으나, 수백만 개의 뉴런 네트워크가 복잡한 임무 수행을 위해 뉴런 하나하나가 어떻게 작용하는 지는 연구원들에게 알려진 바가 없습니다. 예전보다 훨씬 더 다양해진 도구들로 뇌의 절편(brain slice)의 영상 처리가 가능해졌으며, 비침습적 방식으로 광섬유 결합 이미징 시스템(fiber-coupled imaging system)을 활용해 뇌의 전기적, 화학적, 물리적 작용 방식을 파악할 수 있게 되었습니다. 뇌 절편의 영상화와 광섬유 결합 이미징 시스템을 위한 핵심 광학 부품이 바로 고배율의 높은 개구수를 갖는 infinity corrected, apochromatic microscope objectives입니다.

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Blood and Optics

뇌 질환

아래에 열거된 병명들은 형광 현미경과 같은 첨단 진단 기법으로 감지된 일반적인 뇌 질환들입니다. 현미경 대물렌즈와 기타 광학 부품들이 상당히 진보해가면서 이러한 질환들을 감지하고 치료하는 게 한층 수월해졌습니다.

뇌졸중

뇌로 전달되는 혈액 공급 장애가 상당 기간 이상 지속할 때 발생하는 질병으로서 반신불수, 안면마비, 무감각, 발음 장애를 초래합니다.

알츠하이머병

점진적으로 진행되고 치료가 불가능한 일종의 치매로서 기억력이 감퇴하고 기타 주요 정신 기능이 퇴화해감. 초기에는 진행 속도가 느리지만 시간이 갈수록 진행 속도가 빨라집니다.

파킨슨병

신체 움직임에 영향을 주는 중추 신경계(DNS)에 발생하는 불치병으로서 제어가 불가능한 떨림마비 증상을 보입니다.

헌팅턴병

치료가 불가능한 유전 질환으로서 장기간에 걸쳐 뇌의 신경 세포를 파괴하여 무도증(불수의적 운동)을 일으키고 병이 진행되면서 결국엔 대화 능력까지 상실하게 됩니다.

뇌수막염

뇌와 척수 막 사이에 심각한 염증이 발생하는 질환으로 주로 감염에 의해 발병하며, 열, 두통, 경부 강직과 같은 증상들을 동반합니다.

뇌전증

발작을 일으키는 특수 질환으로 주로 뇌의 이상 활동과 전기적 활성이 증가하면서 발병하게 됩니다.

뇌진탕

외상으로 인한 가장 흔한 유형의 뇌 손상으로서, 강한 외력이 작용한 후에 두개골 내에서 뇌가 흔들리거나 움직이는 증상이 발생하게 됩니다.

뇌종양

암을 유발하거나 혹은 유발하지 않는 비정상 세포가 뇌 안에 증식하는 질환으로서 다양한 악성도를 비롯해 성상세포종, 아세포종, 상의세포종, 뇌수막종과 같은 여러 유형으로 분류됩니다.

뇌 진단 기법

뇌를 검사하고, 진단 및 치료하는 데 있어 레이저 기반의 현미경 관찰, 광유전학, CLARITY와 같은 다양한 진단 기법이 동원됩니다.

GFP

녹색형광단백질(GFP)은 특수 분화된 단백질로서 특정 그룹의 아미노산으로 구성되어 UV/Blue light에 노출될 때 녹색 빛을 발산합니다. 일반적으로 해양 생물에서 추출한 대부분의 여기파장(excitation wavelength)은 395nm - 475nm 범위로서 509nm - 525nm에서 최대 방출을 보입니다. GFP는 비침습 형광 이미징 시스템에 널리 사용되는 기술로서 종양의 증식, 세포자멸 및 기타 세포 활동을 감지할 수 있습니다.

광유전학 기술

생물학적 기법에는 특히 뉴런이나 생체 조직을 제어하기 위해 빛이 이용되며, 대부분의 케이스에서 빛의 파장대에 따라 반응하는 광수용체를 가지고 유전적으로 조작된 기술을 적용합니다.

CLARITY

하이드로젤을 이용해 뇌의 조직을 투명하게 만드는 방식. 이 기술에는 항체와 생물표지자(biomaker)가 수반되며, 뇌의 핵구조를 매우 상세하게 보여주는 이미지를 통해 다양한 정보를 수집하고 이를 연구할 수 있습니다.

GCaMP

유전자 재조합 칼슘 센서(genetically encoded calcium indicator)로서 뇌의 영상 촬영에 활용됩니다. GCaMP는 녹색형광단백질(GFP), 칼모듈린, 그리고 미오신의 단백질 서열을 융합한 것과 비슷합니다.

뇌 지도화

신경 과학 기술은 표적 공간에서 뇌의 특정량 또는 특성을 지도화하고 이를 열거해서 보여주는 기법입니다. 즉 다시 말해, 영상화 기술을 통해 뇌, 척수 및 중추 신경계의 해부도와 기능을 확인할 수 있습니다.

Patch Clamp

전기생기학 방식으로 뉴런, 심근세포, 근섬유 및 기타 세포의 단일/다중 이온채널을 연구할 수 있게 해줍니다.

레이저 기반의 현미경 관찰법

현미경 관찰법에는 형광, 공초점, 다광자, 고해상도 현미경으로 검사하는 방법들이 있으며, 뇌 절편의 시냅스, 뉴런, 신경회로를 연구하는 데 사용됩니다.

Diagnostic Techniques

기술 예제: 형광 공초점 현미경 검사법

형광 현미경 검사법(fluorescence microscopy)은 수상돌기가시와 축색종말과 같은 스냅스 구조의 기능적 혹은 형태학적 역학을 연구하고 신경 회로의 연결성과 역학이 갖는 특징을 시각적으로 관찰하는 데 사용됩니다. 대개는 점광원 조명 기기와 같은 역할을 하는 레이저 빔의 초점이 핀홀에 맞춰집니다. 공간적으로 여과된 빛은 dichroic filter에 의해 반사가 일어나며, 이때 대물렌즈의 전체 구경을 채우기 위한 beam expander가 필요 혹은 필요하지 않을 수도 있습니다. 이후 대물렌즈는 샘플 위로 발광 에너지의 초점을 맞추고, 초점이 맞춰진 이러한 에너지로부터 동일한 현미경으로 응집된 더 약해진 형광 신호를 방출하게 됩니다. 방출된 빛은 dichroic filter를 통과하여 secondary tube lens 안에 도달한 뒤 제일 마지막 핀홀을 거친 후 CCD나 CMOS 센서에 의해 감지가 일어납니다. 두 개의 핀홀이 conjugate image plane에 위치해있는 이상적인 경우라면, 이 이미지를 object plane 위로 완벽하게 오버랩할 수 있게 됩니다. 공초점 현미경으로 object plane에 있는 매우 얇고 작은 스팟을 관찰할 때는, 스캐닝 시스템이나 motorized actuator로 빛을 시험해본 후 이미지 어레이를 모으는 것이 중요합니다. 그 다음 정렬된 이미지는 2D나 3D 이미지로 재구성됩니다.

Flow Cytometry
그림 1: 형광 현미경 검사를 위한 Basic Optical Filtering 배열

형광 현미경 검사: Imaging Filter가 장착된 In-Line Illumination

형광 현미경 시스템의 어셈블리 방식에 대해 좀 더 자세히 알아보십시오.

Infinite Conjugate Tube Length Calculator

Infinite conjugate microscope system에서 비네팅 현상 없이 특정 이미지 센서 사이즈를 커버할 수 있는 tube length의 최대치를 objective focal length, objective NA, tube lens entrance pupil diameter, tube lens focal length, sensor size를 이용해 계산해낼 수 있습니다.

주목할만한 제품

Finite Conjugate Objectives

Finite Conjugate Objectives

Finite Conjugate Objective는 현미경 대물렌즈로서 secondary lens 없이도 표본 위로 초점을 맞춥니다. 이러한 대물렌즈는 일반적으로 가시광 스펙트럼에서 사용하도록 최적화되어 있으며, 최대 4개의 element로 구성됩니다.

그림 2: Finite Conjugate Microscope 설계도

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현미경과 대물렌즈의 이해

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Infinity Corrected Objectives

Infinity Corrected Objectives

Infinity Corrected Objective는 현미경 대물렌즈로서 무한대로 초점을 맞춥니다. 이러한 대물렌즈는 working distance가 길며, 광학 렌즈나 필터 같은 부품을 광학 경로 안에 위치시킬 수 있는 역량을 갖추고 있습니다. Finite Conjugate Objective에 비해 더 높은 해상도를 특징으로 하지만, 무게가 더 많이 나가고 가격이 높습니다.

그림 3 (좌): Infinite Conjugate (Infinity Corrected) Microscope 설계도

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INFINITY CORRECTED OBJECTIVE의 해상력과 배율의 이해

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INFINITY CORRECTED OBJECTIVE가 장착된 TUBE LENS의 사용

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Reflective Objectives

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반사 대물렌즈(Reflective Objective)는 현미경 대물렌즈로서 광대역 스펙트럼의 색 수차 보정이 필요한 현미경 용도에서 2개의 미러를 이용해 이미지를 생성하거나 레이저의 초점을 맞추는 데 사용됩니다.

그림 4: Reflective Objective의 상세 구조

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현미경과 대물렌즈의 이해

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반사 대물렌즈의 소개

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요건이 까다로운 어플리케이션에 필요한 반사 대물렌즈

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Achromatic Objectives

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Achromatic Objective는 현미경 대물렌즈로서 red와 blue 파장에서는 색 수차를 보정하고, green 파장에서는 구면 수차를 보정하는 데 사용됩니다. Achromatic Objective는 Apochromatic Objective에 비해 무게가 적게 나가고 단가가 낮으나, 색 수차, 구면 수차, field flatness의 보정력이 다소 떨어집니다.

그림 5: Apochromatic (좌) 대 Achromatic (우) Objective 설계도

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Apochromatic Objectives

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Apochromatic Objective는 현미경 대물렌즈로서 광대역 파장 범위(VIS - NIR)에서 Achromatic Objective에 비해 더 우수한 색 수차, 구면 수차, field flatness 보정력을 특징으로 합니다. 다만, Achromatic Objective보다는 무게가 많이 나가고 고가입니다.

그림 6: Apochromatic (좌) 대 Achromatic (우) Objective 설계도

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현미경과 대물렌즈의 이해

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뇌 검진 기술을 위한 에드몬드 옵틱스의 미션

  • 전 세계인의 뇌 건강 향상을 위한 광학 제품을 설계하고 생산
  • 뇌졸중, 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병, 뇌수막염, 뇌전증, 뇌종양과 같이 이미 발병이 되었거나 혹은 새로 나타난 뇌 질환을 전 세계 어디에서는 정확하게 진단할 수 있는 광학 시스템 개발 촉진
  • 의사, 신경과 전문의, 간호사 및 기술자가 하나의 버튼만 가지고도 빠르고 정확하게 진단할 수 있는 사용이 간편한 광학 장비의 개발
  • 현대화된 의료 혜택을 받을 수 없는 빈곤 지역이나 빈민층을 위해 현장에서 바로 사용이 가능한 혁신적 광학 부품의 연구 및 개발
  • 뇌 질환으로 일반 보건에 가해지는 세계적 부담을 덜어주기 위한 비외과적 첨단 광학 진단 기술의 개발

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