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인공 뇌신경 네트워크, 입맛대로 조절한다

체외 환경에서 뇌신경 네트워크 내 국소적 신경 조절 구현 기술 개발

□ 인간의 뇌신경 네트워크를 체외 3차원 환경에 구축해 특정 구역의 신경을 입맛대로 조절하는 기술이 개발됐다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 한국과학기술연구원 최낙원, 김홍남, 성지혜, 남민호, 홍규상 박사 등과 고려대학교 공동 연구팀이 동국대학교 방석영 교수와 함께 개발한 플랫폼을 활용하여 체외 3차원 환경에서 뇌의 신경 회로망의 특성을 모사한 뇌신경 네트워크를 구축하고, 형성된 회로망의 특정한 부위의 신경을 조절해 신호 전달 과정을 모니터링할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

□ 뇌의 생리학적 및 병리학적 연구를 위해선 체외 환경에서의 모델 구축이 필수적이다.

○ 그러나 체외 모델 연구를 위해선 뇌신경 회로망의 특성을 모사해 3차원 환경에서 구축하는 것뿐만 아니라, 특정한 부위에 국소적으로 신경 조절을 할 수 있는 기술이 필요한데 현재까지의 기술력으로는 한계가 있었다.

□ 이에 공동 연구팀은 방향성을 가진 상태로 정렬이 되어 있는 뇌속 신경 회로망의 특성을 모사하기 위해 뇌 신경 조직 내 신경세포들이 일정한 방향으로 정렬된 상태에서 배양이 되도록 하는 방법을 고안함과 동시에 체외 3차원 환경에 형성된 조직에 다양한 생화학적 인자가 포함된 액체가 흐를 수 있는 미세한 크기의 통로(미세 유체 마이크로채널)들을 집적시키는 기술을 동시에 구현할 수 있는 3차원 뇌신경 조직 칩 제작 기술을 개발했다.

○ 미세 유체 마이크로채널을 통해 신경 신호를 자극 또는 억제할 수 있는 약물을 주입함으로써 국소적으로 특정 구역의 신경 조절이 가능하도록 했다.

○ 뇌신경 조직의 형성 및 국소 부위 자극 및 억제를 통해 네트워크상 신호 전달을 모니터링 할 수 있게 됐다.

□ 이번 연구 성과로 뇌신경 회로망의 정밀한 분석이 가능하게 됐으며, 향후 뇌의 생리학적 및 병리학적 연구가 크게 확대될 것으로 기대되고 있다.

□ 최낙원 박사는 “향후 모사의 범위를 확장해 뇌신경 조직을 형성한다면 뇌연구에 도움이 될 수 있는 시스템을 구축할 수 있을 것으로 예상된다”고 설명했다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 뇌과학원천기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스 (Science Advances)’에 3월 10일 온라인 게재되었다.

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1. 연구의 필요성

○ 우리 체내에 여러 장기 및 조직은 세포와 세포 이외에 다양한 요소들이 방향성을 띈 상태로 정렬이 되어 있는데, 뇌속 신경 회로망들 또한 방향성을 지닌 채로 존재한다. 체외에서 이런 뇌의 신경 회로망의 특성을 모사한 후 신경 회로망에 대한 연구를 하려는 시도가 있었으나 형성된 신경 회로망의 특정한 부위에 국소적으로 신경 조절을 할 수 있는 기술이 존재하지 않아 뇌의 생리학적/병리학적 체외 모델 연구에 한계점이 존재하였다. 따라서, 이 문제를 해결하기 위해 방향성을 띈 뇌 신경 회로망에 국소 신경 조절을 할 수 있는 시스템이 집적된 체외 모델의 개발이 필요하였다.

2. 연구내용

○ 뇌신경 조직 내 신경세포들이 일정 한 방향으로 정렬된 상태로 배양이 되도록 유도할 수 있도록 콜라젠 미세섬유를 정렬하는 방법론을 개발하였다.

○ 형성된 뇌신경 조직에 다양한 생화학적 인자가 포함된 액체가 흐를 수 있는 미세한 크기의 통로(미세유체 마이크로채널)들을 집적시키는 기술을 동시에 구현할 수 있는 삼차원 뇌신경 조직 칩 제작 기술을 개발하였다.

○ 더 나아가, 미세 유체 마이크로 채널에 다양한 종류의 약물을 흘려주어 형성된 뇌신경 조직의 국소 부위에 자극 및 억제를 통하여 뇌신경 네트워크의 신호 전달을 자유자재로 조절하며 이를 모니터링 할 수 있었다.

3. 연구성과/기대효과

○ 세계 최초로 개발된 국소 부위의 자극 및 억제가 가능한 방향성을 띈 뇌신경 조직 형성을 하여 신경 네트워크상 신호 전달을 모니터링 할 수 있는 이 기술을 통해 뇌신경 회로망의 정밀한 분석을 통하여 생리학적 병리학적 연구를 할 수 있는 가능성을 보여주었다.

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