뇌-기계 양방향 소통…초소형 브레인 칩 개발

[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.

개발된 칩은 머리카락 굵기(40마이크로미터 두께)의 초소형 실리콘 구조체로 만들어졌다. 머리에 삽입하는 침습형 칩이지만 이식시 조직손상이나 감염 가능성을 낮추기 위해 소형화했다.

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.

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. 뇌-기계 인터페이스 시스템은 최근 앨런 머스크가 투자한 뉴럴링크나, 페이스북이 개발하고 있는 브레인 리딩(brain reading)등의 기술로 더욱 주목받고 있다.

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.