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정재웅 교수, 스마트폰으로 뇌 신경회로 무선 제어 기술 개발
〈 김충연, 변상혁 박사과정, 정재웅 교수〉
우리 대학 전기및전자공학부 정재웅 교수와 미국 워싱턴대(University of Washington) 마이클 브루카스(Michael Bruchas) 교수 공동 연구팀이 스마트폰 앱 조작을 통해 약물과 빛을 뇌 특정 부위에 전달함으로써 신경회로를 정교하게 조절할 수 있는 뇌 이식용 무선 기기를 개발했다.
이번 기술 개발을 통해 장기간의 동물 실험이 필요한 신약 개발뿐 아니라 치매, 파킨슨병 등 뇌 질환 치료에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
라자 콰지(Raza Qazi, 1저자), 김충연, 변상혁 연구원이 개발하고 워싱턴대 신경과학 연구원들이 공동으로 참여한 이번 연구는 의공학 분야 국제 학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)’ 8월 6일 자에 게재됐다. (논문명 : Wireless optofluidic brain probes for chronic neuropharmacology and photostimulation).
광유전학과 신경약물학은 주변 신경회로에 영향을 주지 않고 목표로 하는 뉴런이나 신경회로만을 빛 또는 약물, 혹은 그 둘의 조합을 이용해 정교하게 제어할 수 있다. 기존의 전기자극을 활용한 방법에 비해 훨씬 더 높은 시공간적 해상도를 가져 최근 뇌 연구 및 뇌 질병 치료 목적으로 주목받고 있다.
하지만 현재 뇌 연구에 일반적으로 쓰는 기기는 상대적으로 크기가 커 뇌 조직 손상, 정교한 선택적 신경회로 제어 불가, 하나의 다기능성 프로브(probe) 형태로 구현이 어렵다. 또한, 기존 기기는 실리카(silica)와 금속 등 고강성 재료로 제작돼 부드러운 뇌 조직과의 기계 특성적 간극이 있다. 이러한 특성으로 인해 염증반응을 악화시켜 장기간 이식용으로 적합하지 않다.
무엇보다 일반적으로 연구실에서 쓰이고 있는 광섬유, 약물주입관 등은 뇌 이식 후 외부기기에 선이 연결된 형태로 사용해야 해 자유로운 행동을 크게 제약하게 된다.
연구팀은 중합체(polymer) 미세유체관과 마이크로 LED를 결합해 머리카락 두께의 유연한 탐침을 만들고, 이를 소형 블루투스 기반 제어 회로와 교체 가능한 약물 카트리지와 결합했다. 이를 통해 스마트폰 앱을 통해 무선으로 마이크로 LED와 약물 전달을 제어할 수 있는 무게 2g의 뇌 이식용 기기를 구현했다.
특히 약물 카트리지는 레고의 원리를 모사해 탐침 부분과 쉽게 조립 및 분리할 수 있도록 제작해, 필요할 때마다 새로운 약물 카트리지를 결합함으로써 원하는 약물을 장기간에 걸쳐 뇌의 특정 부위에 반복 전달할 수 있도록 만들었다.
연구팀은 이 기기를 쥐의 뇌 보상회로에 이식한 후 도파민 활성 약물과 억제 약물이 든 카트리지를 기기와 결합했다. 그 후 간단한 스마트폰 앱 제어와 도파민 활성 약물을 이용해 원하는 타이밍에 자유롭게 움직이는 쥐의 행동을 증가, 억제하는 데 성공했다.
또한, 연구팀은 쥐의 뇌에서 장소 선호도를 유도할 수 있는 부위에 빛에 반응하는 단백질을 주입해 신경세포가 빛에 반응하도록 처리했다.
그 후 쥐가 특정 장소로 이동했을 때 마이크로 LED를 켜 빛 자극을 통해 쥐가 그 장소에 계속 머물고 싶게 만들었다. 반대로 약물 전달을 통해 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”라며 “개발된 기기는 간단한 스마트폰 조작으로 뇌의 특정 회로를 빛과 약물을 이용해 반복적, 장기적으로 무선 제어가 가능해 뇌 기능을 밝혀내기 위한 연구나 향후 뇌 질환의 치료에도 유용하게 적용할 수 있을 것이다”라고 말했다.
연구팀은 이 기술을 인체에 적용하기 위해 두개골 내에 완전히 이식할 수 있고 반영구적 사용이 가능한 형태로 디자인을 발전시키는 확장 연구를 계획하고 있다.
이번 연구는 한국연구재단 신진연구자지원사업(완전 이식 가능한 무선 유연성 광유체 뉴럴 임플랜트 개발 및 뇌 연구를 위한 광유전학/광약물학에의 적용) 및 기초연구실 지원사업(유전자 및 신경회로 조절 기반 중독 행동 제어 기초연구실)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 디바이스가 이식된 쥐의 사진
그림2. 스마트폰앱을 이용한 마이크로 LED 컨트롤
그림3. 개발된 뇌 이식용 무선 디바이스
2019.08.08 조회수 35322 -
KAIST, 최첨단 뇌연구 국제 네트워크 본격 가동
- 미국, 독일 등에 이어 일본 리켄 뇌연구소와 공동학위 과정 운영
KAIST(총장 서남표)가 2010학년도부터 세계 뇌연구를 선도하고 있는 일본 이화학연구소(RIKEN, Rikagaku Kenkyusho) 산하 뇌과학연구소(BSI, Brain Science Institute)와 공동 학위 프로그램을 운영하고 첨단 뇌융합 연구협력을 강화키로 했다.
이는 최근(3월10일) KAIST에서 RIKEN BSI의 케이지 다나카(Keiji Tanaka) 소장과 국내외 최고의 뇌연구관련 전문가들이 모인 가운데, KAIST 생명과학기술대학과 RIKEN BSI간에 상호협력 및 공동학위 프로그램 추진을 위한 양해각서를 체결하고 상호발전을 공동으로 도모하기 위한 워크숍을 개최한 후 진행되는 실질적인 후속조치의 하나다.
이로써 KAIST는 RIKEN BSI와의 전통적인 신뢰관계에 기반한 학술교류에서 한 발 더 나아가 양 기관이 가지고 있는 뇌과학 및 뇌공학분야의 전문적 지식과 연구결과를 상호 공유함으로써 전 세계 뇌연구분야의 선도적인 역할을 계속 이어감은 물론 향후 뇌 연구분야의 전문적 지식을 가진 우수 인력을 공동으로 배출할 수 있게 되었다.
KAIST는 뇌연구와 관련하여 이미 독일 막스 플랑크 연구소(Max Planck Institute), 미 하버드대, 에모리대, 호주 퀸즈랜드대, 스위스 로잔공대 등과 공동 연구를 위한 양해각서 체결 및 협력연구체계를 구축한 바 있어, 이번 RIKEN 뇌과학연구소와의 양해각서 체결로 KAIST 뇌연구분야의 국제적 네트워크가 더욱 확장되고, 뇌연구분야의 세계적인 연구집단으로 성장할 수 있는 또 하나의 디딤돌이 될 것이며, 세계 뇌연구의 허브역할을 할 수 있을 것으로 보고 있다.
KAIST는 지난해 10월 서울아산병원, 한국생명공학연구원, 한국표준과학연구원, SK 홀딩스 등 뇌과학, 뇌공학, 뇌의학 분야의 국내 최고의 연구진들이 모여 세계적 수준의 뇌연구 집단을 구축하기 위한 공동 연구협약을 체결하고 실질적인 공동연구를 진행하는 등 그동안 뇌 연구분야의 발전을 위하여 활발한 활동을 해왔다. 이렇게 이미 뇌연구 분야에서 우수 실적과 역량을 가진 연구기관 들이 하나의 연구집단을 형성하여 앞으로 다가올 뇌의 시대를 대비하고 있다. 이 또한 KAIST가 국내 뇌연구 분야의 구심체 역할을 이미 수행하고 있음을 보여주는 것이다.
KAIST 관계자는 “KAIST는 그간 뇌신경과학과 뇌공학, 그리고 뇌융합연구 분야에서 탁월한 연구성과를 내 왔다. 이제 국내 최고의 뇌연구기관들과 진행되고 있는 협력연구와 더불어 세계 최고 수준의 해외 뇌연구소들과의 협력연구도 진행되어 국내 뇌연구의 발전이 더욱 탄력을 받게 되었다.”며, “일본 RIKEN BSI는 4월부터 노벨생리의학상(1987년) 수상자인 수수무 토네가와(Susumu Tonegawa) 박사가 소장으로 부임하였는데, KAIST와의 공동학위 프로그램, 공동연구 등을 통해 양 기관 뇌융합연구 발전에 획기적 전기를 마련하게 되었다. 앞으로 KAIST는 의학, 공학, 과학이 융합된 명실상부한 뇌연구 분야의 선도 교육 및 연구기관으로서의 역할을 계속 수행할 것이다”고 밝혔다.
2009.04.15 조회수 22632