신경회로 조절하는 초소형 다기능 브레인 칩 개발
생쥐 뇌에 약물전달해 기억회로 조절, 뇌기능 정밀 조절 응용 기대
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 조일주 박사(KIST) 연구팀이 뇌의 여러 부위에서 발생하는 신경신호를 동시에 측정하는 한편 약물이나 빛을 전달할 수 있는 초소형 브레인 칩을 개발했다고 밝혔다.
ㅇ 과학기술정보통신부‧한국연구재단 뇌과학원천기술개발사업 및 바이오의료기술개발사업 등의 지원으로 이뤄진 이 연구결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 8월 22일에 게재되었다.
□ 뇌에 대한 이해를 통해 뇌질환을 정복하거나 뇌기능을 증강시키기 위해서는 뇌에서 발생하는 신호를 세포 하나하나 수준에서 정밀하게 측정해야 한다. 때문에 뇌에 칩을 삽입하거나 비침습적 영상기술로 신경신호를 측정하려는 연구가 활발하다.
ㅇ 이는 감지한 신경신호를 통해 생각을 읽어 동작이나 언어표현 없이도 기계를 움직이고자 하는 뇌-기계 인터페이스 시스템(brain–machine interfaces, BMIs)의 핵심기술이기도 해 더욱 주목받는다.
□ 브레인 칩을 통해 뇌에서 나오는 신호를 읽어 뇌 기능의 이상을 확인하는 것은 가능했으나 반대로 뇌에 신호를 보내는 양방향 소통은 아직 많이 연구되지 않았다.
ㅇ 뇌기능을 제어하기 위해 파킨슨씨병 환자 등을 대상으로 심부자극술을 위한 칩이 사용되고 있으나 뇌 회로의 정밀한 자극이나 뇌신호 변화의 동시 측정은 어려웠다.
□ 연구진은 머리카락 굵기의 아주 얇은(40마이크로미터 두께) 초소형 브레인칩을 개발하고 이를 살아있는 생쥐의 뇌에 삽입하여 생쥐의 기억을 담당하는 해마 부위에 빛과 약물을 전달함으로써 뇌회로를 강화하거나 약화시킬 수 있음을 확인했다.
ㅇ 빛이나 약물 자극으로 기억을 담당하는 신경회로를 제어할 수 있음을 보여준 것이다. 또한 이 과정에서 해마 여러 부위에서 동시다발적으로 발생하는 광범위한 신경신호를 단일 세포수준에서 정밀하게 측정해냈다.
□ 특히 이식시 조직손상이나 감염 가능성과 직결되는 요소인 소형화측면에서 눈에 띄는 성과를 얻었다. 약물이동채널과 광자극을 위한 광도파로(optical waveguide), 전기자극을 위한 전극, 뇌신호 측정전극을 모두 머리카락 굵기의 실리콘 구조체에 집적한 것이다.
ㅇ 기존 탐침 대비 6~8배 가까이 축소된 작은 크기의 탐침 4개와 32개의 전극이 내장되어 신경세포 하나하나로부터 신호를 읽어 들이고 약물이나 빛을 수 초 내 직접 전달했다.
□ 이번 연구결과는 마취된 생쥐에서 이뤄진 것으로 연구진은 향후 깨어있는 생쥐를 대상으로 행동연구를 함께 추진할 계획이다.
ㅇ 조일주 박사는 “뇌기능을 정밀하게 조절할 수 있는 초소형 시스템을 개발한 것”이라며 “향후 기존 뇌회로 연구방법의 한계를 극복하고 뇌 기능 정밀조절 방법을 제시할 수 있을 것으로 기대된다”고 의의를 설명했다.
