1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

포유류의 뇌는 수십억 개의 뉴런이 복잡한 네트워크를 형성하고 있으며, 최근 연구에 따르면 생쥐의 뇌에만 5,300종 이상의 서로 다른 세포 유형이 존재하는 것으로 보고됩니다. 이러한 복잡한 뇌 기능을 이해하기 위해, 신경 인터페이스 기술은 단순히 뉴런에서 발생하는 전기적 신호만을 기록하는 수준을 넘어, 특정 유전적 특성을 가진 세포의 활동을 광학적으로 관찰하는 이미징 기술과 빠른 전기 신호를 동시에 측정할 수 있는 multimodal probe의 개발이 요구됩니다.
뇌의 복잡한 네트워크를 정밀하게 이해하기 위해서는 초소형 구조에서 동시에 많은 신호를 읽어낼 수 있는 기술이 필수적입니다. 그러나 기존 passive probe는 제한적인 채널 수 및 신호 처리 능력에 한계가 있으며, CMOS 기반 active probe 역시 SOI wafer를 사용하는 공정의 높은 비용이 큰 장벽으로 작용해 왔습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 비용 효율적인 multi-project wafer (MPW) 서비스를 활용하여, on-chip에서 신호 증폭 및 처리가 가능한 active probe를 개발하였습니다.
또한 기존 연구들은 전기 신호의 고밀도 집적에는 많은 성과를 이루었지만, 광학 신호 측정을 하나의 소자에 통합하는 것은 공정 및 설계의 어려움으로 인해 구현이 쉽지 않았습니다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하여, 13개의 shank 구조에 총 416개의 전극과 832개의 포토다이오드를 동시에 집적한 multimodal active probe를 단 2번의 포토리소그래피와 3번의 식각 공정을 통해 개발하였습니다. 이를 통해 전기적⸱광학적 신호를 동시에 고해상도로 측정할 수 있는 통합형 신경 인터페이스를 제시하였습니다.
연구 과정에서는 초소형 구조의 프로브를 다루는 것 자체가 큰 도전이었습니다. 특히 13개의 얇은 shank를 손상 없이 구현하는 과정은 저에게 큰 도전이었으며, 공정 전반에 걸쳐 긴장감이 지속되었습니다. 그러나 공정을 시작한 지 몇 주 만에 13개의 shank가 모두 온전한 상태로 구현된 최종 결과물을 확인했을 때, 직접 구현해냈다는 점에서 큰 성취감을 느꼈습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

본 연구는 한국과학기술연구원(Korea Institute of Science and Technology, KIST) 뇌과학연구소 이창혁 박사님 연구실과 원내 마이크로/나노 팹 센터에서 수행하였습니다. 한국과학기술연구원은 바이오, 공학, 인공지능 등 다양한 분야에서 인류의 발전에 기여하는 연구를 수행하는 국내 대표 연구기관입니다. 그 중에서도 제가 속해 있는 뇌과학연구소에서는 뇌의 기능을 구명하고 뇌 질환을 극복하기 위한 기초 및 융합 연구를 선도적으로 수행하고 있는 기관으로, 공학과 생명과학이 긴밀하게 결합된 연구 환경을 갖추고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

처음 학생 연구원으로 한국과학기술연구원에 들어왔을 때, 학부 전공인 신소재공학을 넘어 전자공학과 신경과학이라는 서로 다른 분야를 동시에 이해해야 한다는 점에서 막연한 부담을 느꼈습니다. 그러나 연구를 진행하면서 복잡한 뇌를 이해하고 질환을 치료하기 위해서는 뇌 상태를 정밀하게 측정할 수 있는 분석 도구의 개발과, 이를 기반으로 한 치료 기술이 유기적으로 결합되어야 한다는 것을 깨닫게 되었습니다.
이 과정에서 학문 간의 경계를 넘나드는 융합 연구의 중요성을 체감할 수 있었으며, 실험을 통해 얻은 데이터가 실제로 뇌 기능 이해와 치료 가능성으로 이어질 수 있다는 점에서 연구자로서 큰 자부심과 보람을 느낍니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

뇌를 이해하고 분석하는 연구는 단일 분야의 깊이 뿐만 아니라, 공학과 바이오 분야를 균형 있게 이해하는 것이 핵심 요소입니다. 각 분야마다 접근 방식이 다르다는 어려움과, 그만큼 더 많은 노력이 요구됩니다.
또한 뇌과학은 아직 밝혀지지 않은 영역이 많은 분야이기 때문에, 예상과 다른 결과가 나오더라도 쉽게 포기하기보다는 지속적으로 질문하며 문제의 본질을 파악하려는 태도가 중요합니다. 각 전공이 가진 한계를 이해하고 이를 어떻게 상호 보완하여 극복할 수 있을지를 고민하는 과정 자체가 뇌과학 연구의 큰 매력이라고 생각합니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

궁극적으로는 ‘하고 싶은 연구’를 수행하기 위해 ‘할 수 있는 연구 역량’을 지속적으로 확장하는 것이 목표입니다. 학부 시절부터 공학에 국한하지 않고 바이오와 융합된 연구를 수행하고자 했던 만큼, 앞으로도 공학과 생명과학을 넘나드는 연구를 이어가고자 합니다.
다양한 실험을 통해 새로운 기술을 습득하는 과정은 때로는 느리게 느껴질 수 있지만, 이러한 경험들이 축적될수록 더 다양한 연구를 수행할 수 있는 기반이 된다고 생각합니다. 앞으로의 연구 과정에서 발견되는 문제들을 스스로 해결하며 역량을 키워나가고, 궁극적으로 세계적인 뇌과학 연구자로 성장하는 것을 목표로 하고 있습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

항상 참된 연구자의 자세로 지도해주시고, 부족한 점이 많음에도 불구하고 믿고 지지해주신 이창혁 박사님께 깊이 감사드립니다. 본 연구가 완성될 수 있도록 도움을 주신 한국과학기술연구원 김정진 박사님 연구실의 신우연 박사님과 박용준 선생님께도 진심으로 감사드립니다.
논문이 완성되기까지 함께 고민하면서 같이 울고 웃었던 김미지 선생님, 연구 방향을 스스로 찾을 수 있도록 묵묵히 응원해주시고 항상 조언해주시는 김민수 박사님과 연구실 선생님들께도 깊은 감사를 전합니다. 마지막으로 언제나 변함없는 지지로 힘이 되어주신 부모님께 이 영광을 돌리고 싶습니다.