신경회로 조절 초소형 '다기능 브레인 칩' 개발

생쥐 뇌에 약물전달해 기억회로 조절…뇌기능 정밀 조절 응용 기대

브레인칩을 구성하고 있는 다기능 탐침 어레이

[아시아경제 김철현 기자] 한국연구재단(이사장 노정혜)은 한국과학기술연구원(KIST) 조일주 박사 연구팀이 뇌의 여러 부위에서 발생하는 신경신호를 동시에 측정하고, 약물이나 빛을 전달할 수 있는 초소형 브레인 칩을 개발했다고 22일 밝혔다. 이번 연구결과는 '네이처 커뮤니케이션즈'에 이날 게재됐다.

뇌에 대한 이해를 통해 뇌질환을 정복하거나 뇌기능을 증강시키기 위해서는 뇌에서 발생하는 신호를 세포 하나하나 수준에서 정밀하게 측정해야 한다. 뇌에 칩을 삽입하거나 비침습적 영상기술로 신경신호를 측정하려는 연구가 활발한 이유다. 이 브레인 칩을 통해 뇌에서 나오는 신호를 읽어 뇌 기능의 이상을 확인하는 것은 가능했으나 반대로 뇌에 신호를 보내는 양방향 소통은 아직 많이 연구되지 않았다. 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 초소형 브레인 칩을 개발하고 이를 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.

특히 이식시 조직손상이나 감염 가능성과 직결되는 요소인 소형화 측면에서 눈에 띄는 성과를 얻었다. 약물이동채널과 광자극을 위한 광도파로, 전기자극을 위한 전극, 뇌신호 측정전극을 모두 머리카락 굵기의 실리콘 구조체에 집적한 것이다. 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.

이번 연구결과는 마취된 생쥐에서 이뤄진 것으로 연구진은 향후 깨어있는 생쥐를 대상으로 행동연구를 함께 추진할 계획이다. 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 설명했다.

김철현 기자 kch@asiae.co.kr