'뇌 기능' 조절 가능해진다… 머리카락 굵기 '브레인칩' 개발

조일주 KIST 박사팀, 생쥐 뇌에 약물 전달해 기억회로 조절…뇌기능 정밀 조절 응용 기대

다기능 브레인칩의 개념도<br><br>4개의 탐침에서 광자극, 약물전달 등의 자극과 신경신호 측정을 통하여 신경세포간의 연결을 확인하는 모습을 보여주는 개념도/사진=KIST

국내 연구진이 뇌 기능을 정밀하게 조절할 수 있는 초소형 시스템을 개발했다.

한국연구재단은 조일주 한국과학기술연구원(KIST) 박사 연구팀이 뇌 여러 부위에서 발생하는 신경신호를 동시에 측정하고, 약물과 빛을 전달할 수 있는 ‘초소형 브레인 칩’을 개발했다고 22일 밝혔다.

뇌질환 정복 및 뇌기능 증강을 위해선 뇌에서 발생하는 신호를 세포 하나하나 수준에서 정밀측정해야 한다. 때문에 뇌에 칩을 삽입하거나 비침습적 영상기술로 신경신호를 측정하려는 연구가 활발하다.

이는 감지한 신경신호를 통해 생각을 읽어 동작이나 언어표현 없이도 기계를 움직일 수 있는 ‘뇌-기계 인터페이스 시스템’의 핵심기술이기도 해 더 주목받는다.

현재 브레인 칩은 뇌 신호를 읽어 뇌 기능의 이상을 확인하는 것까지는 가능하다. 하지만 반대로 뇌에 신호를 보내는 양방향 소통은 어렵다.

뇌기능을 제어하기 위해 파킨슨병 환자 등을 대상으로 심부자극술을 위한 칩이 사용되고 있으나 뇌 회로의 정밀한 자극이나 뇌신호 변화의 동시 측정은 어려웠다.

브레인칩을 구성하고 있는 다기능 탐침 어레이<br><br>(좌) 브레인 칩을 구성하고 있는 탐침 어레이의 확대 모습, (우) 광자극, 약물자극, 전기자극 및 신호 측정 기능이 집적된 초소형 브레인칩이 패키징된 모습/자료=IBS

연구진은 머리카락 굵기의 아주 얇은(40마이크로미터) 초소형 브레인칩을 개발했다. 이를 살아있는 생쥐 뇌에 삽입해 기억을 담당하는 해마 부위에 빛과 약물을 전달, 뇌회로를 강화하거나 약화시킬 수 있음을 확인했다.

연구진은 “빛이나 약물 자극으로 기억을 담당하는 신경회로를 제어할 수 있음을 보여준 것”이라며 “이 과정에서 해마 여러 부위에서 동시다발적으로 발생하는 광범위한 신경신호를 단일 세포수준에서 정밀하게 측정했다”고 설명했다.

연구진은 특히 소형화측면에서 눈에 띄는 성과를 얻었다. 소형화는 이식시 조직손상이나 감염 가능성과 직결되는 요소다.


연구진에 따르면 약물이동채널과 광자극을 위한 광도파로, 전기자극을 위한 전극, 뇌신호 측정전극을 모두 머리카락 굵기의 실리콘 구조체에 집적했다.

조일주 KIST 박사/사진=KIST

연구진은 “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 전달했다”고 설명했다.

연구진은 향후 깨어있는 생쥐를 대상으로 행동연구를 함께 추진할 계획이다. 조 박사는 “후속연구를 통해 뇌 기능 정밀조절 방법을 제시할 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈‘(Nature Communications)'에 게재됐다.