고가 장비 'NO', AI 계산으로 뇌 깊숙한 곳 '선명하게'

[아이뉴스24 정종오 기자] 살아있는 뇌 깊숙한 곳을 선명하게 관찰하려면 고가의 장비가 필수였다. 국내 연구팀이 물리 기반으로 한 인공지능(AI) 계산 알고리즘을 활용해 추가 광학 측정 장비 없이도 흐릿한 이미지를 또렷하게 복원하는 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 전기및전자공학부 강익성 교수가 UC 버클리 나지(Na Ji) 교수 연구팀과 공동연구를 통해 신경장 모델(neural fields, 3차원 공간의 구조를 연속적으로 표현해 이미지와 형태를 동시에 복원하는 신경망 기반 기술)을 활용해 생체 내부를 관찰하는 현미경의 이미지 왜곡을 정밀하게 보정하는 기술을 개발했다.

연구팀이 활용한 ‘이광자 형광 현미경(two-photon fluorescence microscopy, 두 개의 약한 빛을 동시에 사용해 생체 깊은 곳 특정 지점만 선택적으로 빛나게 하는 기술)’은 살아있는 생체 조직 깊은 곳을 관찰할 수 있는 핵심 장비다.

빛이 두꺼운 조직을 통과하는 과정에서 휘고 흩어지면서 물속에서 물체가 일그러져 보이듯 이미지가 흐릿해지는 문제가 있었다. 이를 광학 수차(optical aberration, 빛이 왜곡돼 초점이 흐려지는 현상)라고 한다.

이러한 왜곡을 보정하기 위해 파면 센서(wavefront sensor, 빛이 얼마나 휘어졌는지를 측정하는 장치)와 같은 복잡하고 값비싼 하드웨어 장비를 추가해야 했다.

연구팀은 이미 촬영된 이미지 데이터만을 이용해 빛이 어떻게 왜곡됐는지를 역으로 계산하고 이를 바로잡는 알고리즘을 개발했다. 흐릿한 사진을 보고 원래 모습을 복원하는 것처럼 추가 장비 없이도 선명한 이미지를 되살리는 방식이다.

이번 기술의 핵심은 신경장 모델 기반의 기계학습 알고리즘이다. 이 알고리즘은 빛이 이동하며 발생하는 왜곡 과정을 추적한다. 생체 조직에 의한 광학 수차뿐 아니라 생체의 미세한 움직임, 현미경의 기계적 오차까지 동시에 보정하는 통합 기술을 구현한다.

무엇보다 이번 연구는 ‘더 좋은 이미지를 얻기 위해서는 더 비싼 장비가 필요하다’는 기존 한계를 넘어섰다. 소프트웨어 기반으로 문제를 해결했다. 연구 장비에 대한 부담을 낮추고 보다 많은 연구자가 정밀한 뇌 관찰을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

강익성 교수는 “이번 연구는 광학과 인공지능 기술을 결합해 생체 내부를 더 정확하게 볼 수 있는 길을 연 것”이라며 “앞으로 현미경이 스스로 최적의 이미지를 찾아내는 지능형 광학 이미징 시스템으로 발전시켜 나갈 계획”이라고 말했다.

이번 연구(논문명: Adaptive optical correction for in vivo two-photon fluorescence microscopy with neural fields)는 생명과학 분야 국제 학술지 ‘네이처 메소드(Nature Methods)’에 4월 13일자로 실렸다.