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스마트폰앱 버튼 누르니 뇌에 칩 심은 쥐가 움직였다

정재웅(오른쪽) KAIST전기및전자공학부 교수 연구팀은 마이클 브루카스 미국 워싱턴대 마취학과 교수 연구팀과 함께 스마트폰으로 뇌 신경회로를 무선 제어하는 기술을 개발했다. 김충연(왼쪽)∙변상혁(가운데) 박사과정생도 함께 연구에 참여했다. KAIST 제공
정재웅(오른쪽) KAIST전기및전자공학부 교수 연구팀은 마이클 브루카스 미국 워싱턴대 마취학과 교수 연구팀과 함께 스마트폰으로 뇌 신경회로를 무선 제어하는 기술을 개발했다. 김충연(왼쪽)∙변상혁(가운데) 박사과정생도 함께 연구에 참여했다. -KAIST 제공-

한국과 미국의 과학자들이 스마트폰에 설치한 앱(응용프로그램)을 조작해 뇌 신경회로를 무선으로 제어하는 뇌 이식용 기기를 개발했다. 장기간의 동물 실험이 필요한 신약개발과 치매, 파킨슨병과 같은 뇌 질환 치료에 적용할 수 있을 것으로 기대를 모은다.




정재웅 KAIST 전기및전자공학부 교수와 마이클 브루카스 미국 워싱턴대 마취학과 교수 공동연구팀이 스마트폰으로 뇌 신경회로를 무선으로 제어하는 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.




광유전학이나 신경약물학은 빛이나 약물, 그 둘의 조합을 이용해 주변 신경회로에 영향을 주지 않고 특정한 뉴런이나 신경회로를 제어하는 방법이다. 기존의 전기자극을 활용한 방법보다 높은 시공간적 해상도를 가져 최근 뇌 연구 및 뇌 질병 치료 방법으로 주목받고 있다.




광유전학은 신경약물학과 관련된 뇌 연구에 쓰이는 장치 크기가 광섬유의 경우 125~200μm(마이크로미터, 1 μm는 백만 분의 1m), 금속 약물주입관은 250~500μm로 상대적으로 크기가 큰 편이다. 뇌조직을 손상시키거나 정교한 선택적 신경회로 제어에 어려움을 준다. 또 실리카와 금속 등 고강성 재료로 제작돼 부드러운 뇌 조직과의 기계 특성적 간극이 존해 염증반응을 일으킨다. 무일반적으로 연구실에서 쓰이는 광섬유 및 약물주입관은 뇌 이식 후 외부기기에 선이 연결된 형태로 사용해야 해 자유로운 행동을 방해한다.

 



스마트폰앱을 이용한 마이크로 LED 컨트롤을 하는 모습. KAIST 제공
스마트폰앱을 이용한 마이크로 LED 컨트롤을 하는 모습. -KAIST 제공-

연구팀은 중합체 미세유체관과 마이크로 발광다이오드(LED)를 결합해 머리카락 두께의 유연한 탐침을 만들었다. 이를 소형 블루투스 기반 제어 회로와 교체 가능한 약물 카트리지와 결합했다. 그런 다음 스마트폰 앱을 통해 무선으로 마이크로LED와 약물전달을 제어하는 무게 2g의 뇌 이식용 기기를 만들었다. 약물 카트리지는 레고의 원리를 모사해 쉽게 조립하고 분리할 수 있도록 했다는 게 연구팀의 설명이다.




연구팀이 이 기기를 쥐의 뇌 보상회로에 이식해 도파민 활성 약물과 억제 약물이 든 카트리지를 결합한 결과, 간단한 스마트폰 앱 조작과 도파민 활성 약물을 이용해 원하는 타이밍에 쥐의 활동을 늘리거나 억제하는 것으로 나타났다. 

 



연구팀은 쥐의 뇌에서 장소 선호도를 유도할 수 있는 부위에 빛에 반응하는 단백질을 주입했다. 이를 통해 신경세포가 빛에 반응하도록 했다. 그 결과 쥐를 특정 장소로 이동했을 때 마이크로 LED를 켜서 빛 자극을 통해 쥐가 그 장소에 머무르게 하는데 성공했다. 반대로 약물을 전달해 뇌 신경회로를 제어함으로써 쥐의 특정 장소 선호도를 없애는 데도 성공했다. 




정 교수는 “빛과 약물을 이용한 신경회로 제어는 기존의 전기자극 방법보다 훨씬 더 정교해 부작용 없는 뇌 제어가 가능하다”며 “개발된 기기는 간단한 스마트폰 조작으로 뇌의 특정회로를 빛과 약물을 이용해 반복적, 장기적으로 무선 제어가 가능해 뇌 기능 연구나 향후 뇌 질환 치료에 유용하게 적용될 것”이라고 밝혔다.




이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링’ 지난 6일자에 발표됐다.













출처 : 동아사이언스(http://www.dongascience.com)

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