[과학을 품다] 스마트폰으로 뇌 신경회로 무선 제어한다
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[과학을 품다] 스마트폰으로 뇌 신경회로 무선 제어한다
  • 정종오 기자
  • 승인 2019.08.08 09:16
  • 댓글 0
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카이스트 연구팀, 뇌 이식용 무선 기기 개발
개발된 뇌 이식용 무선 디바이스(왼쪽), 레고 원리를 이용해 뇌 탐침부분에서 쉽게 조립하고 분리해 교체 가능한 약물 카트리지(중앙), 디바이스가 이식된 쥐(오른쪽).[사진=카이스트]
개발된 뇌 이식용 무선 디바이스(왼쪽), 레고 원리를 이용해 뇌 탐침부분에서 쉽게 조립하고 분리해 교체 가능한 약물 카트리지(중앙), 디바이스가 이식된 쥐(오른쪽).[사진=카이스트]

뇌 이식용 무선 기기가 나왔다. 이번 기기는 스마트폰 앱으로 간단하게 조작할 수 있어 주목받고 있다. 카이스트(KAIST) 전기와 전자공학부 정재웅 교수와 미국 워싱턴대(University of Washington) 마이클 브루카스(Michael Bruchas) 교수 공동연구팀은 8일 스마트폰 앱 조작을 통해 약물과 빛을 뇌 특정 부위에 전달해 신경회로를 정교하게 조절할 수 있는 뇌 이식용 무선 기기를 개발했다고 발표했다.

이번 기술개발을 통해 장기간 동물 실험이 필요한 신약개발뿐 아니라 치매, 파킨슨병 등 뇌 질환 치료에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

광유전학과 신경 약물학은 주변 신경회로에 영향을 주지 않고 목표로 하는 뉴런이나 신경회로만을 빛 또는 약물, 혹은 그 둘의 조합을 이용해 정교하게 제어할 수 있다. 기존의 전기자극을 활용한 방법과 비교하면 훨씬 더 높은 시공간적 해상도를 가져 최근 뇌 연구와 뇌 질병 치료 목적으로 주목받고 있다.

현재 뇌 연구에 일반적으로 쓰는 기기는 상대적으로 크기가 커 뇌 조직 손상, 정교한 선택적 신경회로 제어 불가, 하나의 다기능성 프로브(probe) 형태로 구현이 어렵다. 기존 기기는 실리카(silica)와 금속 등 고강성 재료로 제작돼 부드러운 뇌 조직과 기계 특성적 간극이 있다. 이런 특성으로 염증반응을 악화시켜 장기간 이식용으로 적합하지 않다. 무엇보다 일반적으로 연구실에서 쓰이고 있는 광섬유, 약물주입관 등은 뇌 이식 후 외부기기에 선이 연결된 형태로 사용해야 해 자유로운 행동을 크게 제약받는다.

연구팀은 중합체(polymer) 미세 유체관과 마이크로 LED를 결합해 머리카락 두께의 유연한 탐침을 만들었다. 이를 소형 블루투스 기반 제어 회로와 교체 가능한 약물 카트리지와 결합했다. 이를 통해 스마트폰 앱을 통해 무선으로 마이크로 LED와 약물 전달을 제어할 수 있는 무게 2g의 뇌 이식용 기기를 구현했다.

특히 약물 카트리지는 레고의 원리를 이용했다. 탐침 부분과 쉽게 조립, 분리할 수 있도록 제작했다. 필요할 때마다 새로운 약물 카트리지를 결합함으로써 원하는 약물을 장기간에 걸쳐 뇌의 특정 부위에 반복 전달할 수 있도록 만들었다.

연구팀은 이 기기를 쥐의 뇌 보상회로에 이식한 후 도파민 활성 약물과 억제 약물이 든 카트리지를 기기와 결합했다. 그 후 간단한 스마트폰 앱 제어와 도파민 활성 약물을 이용해 원하는 타이밍에 자유롭게 움직이는 쥐의 행동을 증가, 억제하는 데 성공했다.

연구팀은 쥐의 뇌에서 장소 선호도를 유도할 수 있는 부위에 빛에 반응하는 단백질을 주입해 신경세포가 빛에 반응하도록 처리했다. 그 후 쥐가 특정 장소로 이동했을 때 마이크로 LED를 켜 빛 자극을 통해 쥐가 그 장소에 계속 머물고 싶게 만들었다. 반대로 약물 전달을 통해 뇌 신경회로를 제어함으로써 쥐의 특정 장소 선호도를 없애는 데도 성공했다.

정 교수는 “빛과 약물을 이용한 신경회로 제어는 기존의 전기자극 방법보다 훨씬 더 정교해 부작용 없는 뇌 제어가 가능하다”라며 “개발된 기기는 간단한 스마트폰 조작으로 뇌의 특정 회로를 빛과 약물을 이용해 반복적, 장기적으로 무선 제어가 가능해 뇌 기능을 밝혀내기 위한 연구나 앞으로 뇌 질환 치료에도 유용하게 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구팀은 이 기술을 인체에 적용하기 위해 두개골 내에 완전히 이식할 수 있고 반영구적 사용이 가능한 형태로 디자인을 발전시키는 확장 연구를 계획하고 있다.

한편 연구결과는 의공학 분야 국제학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)’ 8월 6일 자((논문명: Wireless optofluidic brain probes for chronic neuropharmacology and photostimulation)에 실렸다.

정종오 기자  science@greened.kr

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