바이오인

핵심내용

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.

상세내용

■ 주요내용 설명

< 논문명, 저자정보 >

논문명
Multifunctional multi-shank neural probe for investigating
and modulating long-range neural circuits in vivo

저자명
Hyogeun Shin, Yoojin Son1, Uikyu Chae, Jeongyeon Kim, Nakwon Choi, Hyunjoo J.Lee, Jiwan Woo, Yakdol Cho, Soo Hyun Yang, C. Justin Lee & Il-Joo Cho

< 연구의 주요내용 >

 1. 연구배경
  ○ 뇌신호 정밀측정 시스템은 뇌의 동작에 연계된 뇌신호를 측정하는 중요한 도구로서, 뇌 연구뿐만 아니라, 뇌-기계접속 시스템(brain-machine interfaces, BMIs)  등에 필수 요소이다. 정밀한 뇌신호 측정을 위해 뇌에 삽입하는 전극 어레이 형태의 브레인 칩이 주목받고 있다.
  ○ 뇌신호를 통해 사람의 생각을 읽어 생각으로 로봇팔, 휠체어 등의 외부기기를 구동하거나 문자를 생각으로 입력하는 시스템에 대한 연구가 활발하다. 특히 일론 머스크가 투자한 뉴럴링크 사에서는 최근 뇌-기계 접속 시스템을 위한 브레인칩을 개발해 선보였다.
  ○ 기존 브레인칩은 뇌의 여러 부위에서 뇌신호를 측정하여 몸을 제어하기 위한  뇌신호나 의도 등을 읽을 수는 있지만, 자극 기능이 없어 뇌의 기능을 조절하거나 제어할 수 없다는 한계가 있었다. 자극 기능의 부재로 이상 뇌회로 제어 등 뇌질환 치료 기술 개발 연구에 적용이 어렵다. 
  ○ 또한 브레인칩은 뇌의 특정부위에 삽입되는 침습적 방식이어서 비침습적인 영상기술을 활용하는 방식과 달리 삽입 시에 뇌조직에 영향을 미친다. 따라서 뇌에 삽입되는 구조체의 크기를 줄이는 것이 매우 중요하다.
  ○ 뇌기능을 조절하기 위해서는 전기, 빛, 약물 등으로 뇌부위를 자극할 수 있어야 하지만 현재까지 개발된 브레인칩은 대부분 측정만 할 수 있고 다중 부위에서 뇌신호를 측정하면서 자극할 수 있는 시스템은 없다.
  ○ 기존 뇌심부자극술(DBS, deep brain stimulation) 은 뇌회로의 정밀 자극이 어렵고, 뇌신호의 변화를 동시에 측정하기 어렵다는 단점이 있다.

 2. 연구내용
  ○ 이 연구에서는 전기, 빛, 약물을 이용한 자극 기능이 포함된 브레인 칩을 개발하였다. 또한, 자극에 반응하는 뇌신호를 뇌의 여러 곳에서 동시에 측정할 수 있는 기능도 포함되어 있다.
  ○ 광자극을 위한 광도파로와 약물전달을 위한 미소유체채널, 전기 자극 및 뇌신호 측정을 위한 전극을 모두 하나의 구조로 통합하였다. 미세 기계 전자시스템 기술을 이용하여 머리카락 크기의 초소형 실리콘 구조체에 자극과 측정을 위한 요소들을 모두 집적할 수 있었다. 
  ○ 개발된 브레인칩의 성능을 평가하기 위해 살아있는 생쥐에서 기억을 담당한다고 알려진 해마영역을 빛과 약물로 자극하여 해당 영역의 뇌회로를 강화하거나 약화시킬 수 있음을 뇌신호 측정을 통하여 확인하였다.
  ○ 개발된 다기능 브레인칩은 기존의 다기능 브레인 칩에 비해서 뇌조직의 손상이 현저히 줄어들었음을 조직의 면역 반응 염색을 통해서 확인하였다.
  ○ 개발된 브레인칩을 통해서 해마 영역에 빛으로 자극을 가하여 신경세포간의 연결이 강화되고, 약물을 주입하여 연결이 약화되며, 시간이 일정 시간 후에 연결이 다시 회복되는 것을 뇌신호 변화를 통해서 확인할 수 있었다.

 3. 기대효과
  ○ 이번에 개발된 브레인칩은 뇌기능을 규명하기 위한 다양한 뇌회로 연구에 적용될 수 있다. 특정 뇌부위를 자극하고 연결된 뇌부위에서뇌신호 측정을 통해 뇌의 동작 원리 규명에 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
  ○ 최근 주목받는 뇌-기계 접속 시스템은 뇌신호를 읽는 것만 가능하지만, 자극 기능이 집적된 브레인칩을 이용하여 뇌 기능 조절 및 제어까지 가능한 양방향 시스템이 가능할 것으로 기대된다.
  ○ 약물과 빛을 이용하여 이상 뇌회로를 자극하고 뇌신호를 측정하여 뇌회로의 변화를 정밀하게 관찰할 수 있다. 뇌질환의 원인이 되는 비정상 뇌회로를 자극하여 정상으로 되돌리려는 연구에 응용될 경우 뇌질환 치료 기술 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

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