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뉴스 생명과학
신호 감지부터 처리까지, 원스탑(one-stop)으로!...해상도 삽입형 뇌 신호 증폭 센서 개발
Bio통신원(POSTECH)
- 등록2023.09.14
- 조회1213
뇌 질환을 연구하고, 치료 방법을 찾기 위해서는 뇌가 보내는 신호를 측정하고 처리해야 한다. 뇌에 부착되는 ‘신경 프로브(neural probe)’는 미세한 생체 신호를 감지할 수는 있지만 이를 증폭시키고 처리할 수 없어 별도의 증폭기가 항상 필요했다. 이번 연구에서 연구팀은 오랫동안 가정에서 널리 사용되고 있는 ‘잉크젯(inkjet) 프린터’에서 그 해법을 찾았다.
POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 · IT융합공학과 정성준 교수 · IT융합공학과 통합과정 이용우 씨, 세종충남대병원 김은희 교수, 영국 캠브리지대(University of Cambridge) 조지 말리아라스(George Malliaras) 교수 공동 연구팀은 생체 신호를 수집하고, 증폭과 처리를 동시에 수행하는 통합 센서를 개발했다. 이 연구는 그 우수성을 인정받아 재료과학 분야 권위지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’의 속표지 논문(inside cover image)으로 게재될 예정이다.
잉크젯 인쇄 기술은 피코리터(picoliter, 10-12) 단위의 매우 작은 잉크 방울을 종이나 기판에 뿌려 패턴을 인쇄하는 기술이다. 연구팀은 먼저 뇌의 표면에 잘 부착될 수 있는 유연한 소재로 두께가 머리카락 두께의 약 100분의 1 수준인 매우 얇은 기판을 만들었다. 그리고 잉크젯 기술을 이용해 생체 신호를 감지하는 센서와 이를 증폭 · 처리하는 센서를 하나의 기판 위에 인쇄했다. 신호 감지부터 처리까지 거의 동시에 진행할 수 있는 ‘뇌 신호 증폭 센서’를 개발한 것이다.
이어, 연구팀은 쥐를 대상으로 개발한 센서의 성능을 실험했다. 그 결과, 쥐의 대뇌 피질 부분에 부착된 통합 센서는 뇌에서 발생한 신호를 높은 해상도로 빠르게 기록했다. 기존 센서와 달리 신호 감지와 증폭, 데이터 처리를 거의 동시에 진행함으로써 처리 속도와 해상도를 높이는 데 성공한 것이다.
연구를 이끈 정성준 교수는 “이 기술은 원하는 부분에 자유롭게 패턴을 인쇄할 수 있어 이를 적용하면 추후 개인 맞춤형 생체 신호 측정기기를 제작할 수 있다”며, “새로운 센서-신호처리 패러다임으로 뇌 질환 연구 · 치료에 큰 도움이 되면 좋겠다”는 말을 전했다.
한편, 이 연구는 한국연구재단의 기초연구사업과 과학기술정보통신부의 지역의 미래를 여는 과학기술 프로젝트의 지원으로 진행되었다.
논문명
Tunable organic active neural probe enabling near-sensor signal processing(고해상도 삽입형 뇌신호 증폭 센서 개발)
연구자
정성준(공동교신저자, POSTECH 신소재공학과 · IT융합공학과), 이용우(제1저자, POSTECH IT융합공학과), 김은희(공동저자, 세종충남대병원), George Malliaras(공동교신저자, 영국 캠브리지대)
DOI
https://doi.org/10.1002/adma.202301782
그림. (a) 잉크젯 인쇄 기술로 제작된 삽입형 뇌신호 증폭 센서 구조 및 동작원리. (b) 대뇌 피질에 부착된 통합 센서와 확대된 광학 현미경 사진. (왼쪽 스케일 바: 1 , 오른쪽 스케일 바: 100 )
그림. (a) 장기간 고해상도로 기록된 전기 생리학적 (마취된 상태) 및 병리학적 (발작 상태)의 신호 (b) 쥐 모델의 뇌 단면에 위치한 센서의 개략도 (c) 전극으로 기록된 신호(청색)와 비교하여 우수한 신호 해상도와 크기를 가지는 증폭 센서로 기록된 신호(적색). 시간-주파수 스펙트로그램에서 삽입된 전극으로 측정된 신호(검정)와 비교했을 때도 발작을 일으키는 도중 특정 5-10 Hz의 진동 신호를 증폭 센서에서도 성공적으로 관찰.
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