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뇌-기계 양방향 소통…초소형 브레인 칩 개발


KIST, 머리카락 굵기 침습형 칩으로 뇌-기계 소통 구현

[아이뉴스24 최상국 기자] 뇌에서 발생하는 신호를 세포 단위로 정밀하게 측정하고, 반대로 뇌세포에 신호도 보낼 수 있는 머리카락 굵기의 초소형 다기능 브레인칩이 개발됐다.

한국연구재단은 KIST 조일주 박사 연구팀이 뇌의 여러 부위에서 발생하는 신경신호를 동시에 측정하는 한편 약물이나 빛을 전달할 수 있는 초소형 브레인 칩을 개발했다고 22일 밝혔다.

브레인 칩을 통해 뇌에서 나오는 신호를 읽어 뇌 기능의 이상을 확인하거나, 뇌에서 감지한 신경신호를 통해 생각을 읽고, 동작이나 말로 하지 않아도 기계를 움직이는 뇌-기계 인터페이스 시스템(brain–machine interfaces, BMIs)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있지만 뇌 신호의 감지와 뇌에 대한 자극을 동시에 할 수 있는 양방향 브레인 칩이 개발된 것은 처음이다.

4개의 탐침에서 광자극, 약물전달 등의 자극과 신경신호 측정을 통해 신경세포간의 연결을 확인하는 모습을 보여주는 다기능 브레인칩 개념도 [연구진 제공]
4개의 탐침에서 광자극, 약물전달 등의 자극과 신경신호 측정을 통해 신경세포간의 연결을 확인하는 모습을 보여주는 다기능 브레인칩 개념도 [연구진 제공]

약물이동채널과 광자극을 위한 광도파로, 전기자극을 위한 전극, 뇌신호 측정전극을 모두 머리카락 굵기의 실리콘 구조체에 집적했다. 기존 탐침 대비 6~8배 가까이 축소된 작은 크기의 탐침 4개와 32개의 전극이 내장돼 신경세포 하나하나로부터 신호를 읽어 들이고 약물이나 빛을 수 초 내 직접 전달하는 데 성공했다.

(좌) 브레인 칩을 구성하고 있는 탐침 어레이의 확대 모습. (우) 광자극, 약물자극, 전기자극 및 신호 측정 기능이 집적된 초소형 브레인칩이 패키징된 모습. [연구진 제공]
(좌) 브레인 칩을 구성하고 있는 탐침 어레이의 확대 모습. (우) 광자극, 약물자극, 전기자극 및 신호 측정 기능이 집적된 초소형 브레인칩이 패키징된 모습. [연구진 제공]

지금까지 브레인 칩을 통해 뇌에서 나오는 신호를 읽어 뇌 기능의 이상을 확인하는 것은 가능했으나 반대로 뇌에 신호를 보내는 양방향 소통은 많이 연구되지 않았다. 뇌기능을 제어하기 위해 파킨슨씨병 환자 등을 대상으로 심부자극술을 위한 칩이 사용되고 있으나 뇌 회로의 정밀한 자극이나 뇌신호 변화의 동시 측정은 어려웠다. 정밀한 자극 기능은 뇌회로 제어 등 뇌질환 치료 기술 개발 연구에 필수적이다.

연구팀은 전기, 빛, 약물을 이용한 자극이 가능하고, 자극에 반응하는 뇌신호를 뇌의 여러 곳에서 동시에 측정할 수 있는 브레인칩을 개발했다. 광자극을 위한 광도파로와 약물전달을 위한 미소유체채널, 전기 자극 및 뇌신호 측정을 위한 전극을 모두 하나의 구조로 통합했다. 미세 기계 전자시스템 기술을 이용해 초소형 실리콘 구조체에 자극과 측정을 위한 요소들을 모두 집적할 수 있었다.

연구진은 개발한 초소형 브레인칩을 살아있는 생쥐의 뇌에 삽입해 생쥐의 기억을 담당하는 해마 부위에 빛과 약물을 전달함으로써 뇌회로를 강화하거나 약화시킬 수 있음을 확인했다. 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.

이번에 개발된 브레인칩은 특정 뇌부위를 자극하고 연결된 뇌부위에서 뇌신호를 측정해 뇌의 동작 원리를 규명하는 다양한 연구에 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. 뇌질환의 원인이 되는 비정상 뇌회로를 자극해 정상으로 되돌리려는 연구에 응용될 경우 뇌질환 치료 기술 개발도 앞당길 수 있을 것이다.

연구팀은 이번 연구는 마취된 생쥐에서 이뤄진 것으로 향후 깨어있는 생쥐를 대상으로 행동연구를 함께 추진할 계획이라고 밝혔다.

조일주 박사는 “뇌기능을 정밀하게 조절할 수 있는 초소형 시스템 개발로 향후 기존 뇌회로 연구방법의 한계를 극복하고 뇌 기능 정밀조절 방법을 제시할 수 있을 것”으로 기대했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 뇌과학원천기술개발사업 및 바이오의료기술개발사업 등의 지원으로 이뤄졌으며 연구결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 8월 22일 게재됐다.

최상국 기자 skchoi@inews24.com






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