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신경회로 조절하는 초소형 다기능 브레인 칩 개발
의학약학 한국연구재단 (2019-08-23 09:30)

한국연구재단은 조일주 박사(KIST) 연구팀이 뇌의 여러 부위에서 발생하는 신경신호를 동시에 측정하는 한편 약물이나 빛을 전달할 수 있는 초소형 브레인 칩을 개발했다고 밝혔다.

과학기술정보통신부‧한국연구재단 뇌과학원천기술개발사업 및 바이오의료기술개발사업 등의 지원으로 이뤄진 이 연구결과는  '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 8월 22일에 게재되었다.

뇌에 대한 이해를 통해 뇌질환을 정복하거나 뇌기능을 증강시키기 위해서는 뇌에서 발생하는 신호를 세포 하나하나 수준에서 정밀하게 측정해야 한다. 때문에 뇌에 칩을 삽입하거나 비침습적 영상기술로 신경신호를 측정하려는 연구가 활발하다. 

이는 감지한 신경신호를 통해 생각을 읽어 동작이나 언어표현 없이도 기계를 움직이고자 하는 뇌-기계 인터페이스 시스템(brain–machine  interfaces, BMIs)의 핵심기술이기도 해 더욱 주목받는다.  

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(40마이크로미터 두께) 초소형 브레인칩을 개발하고 이를 살아있는 생쥐의 뇌에 삽입하여 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 소형화측면에서 눈에 띄는 성과를 얻었다. 약물이동채널과 광자극을 위한 광도파로(optical waveguide), 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 내장되어 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 의의를 설명했다.

󰊱 주요내용 설명

< 논문명, 저자정보 >

논문명
Multifunctional multi-shank neural probe for investigating and modulating long-range neural circuits in vivo

저자명
Hyogeun Shin, Yoojin Son1, Uikyu Chae, Jeongyeon Kim, Nakwon Choi, Hyunjoo J.Lee, Jiwan Woo, Yakdol Cho, Soo Hyun Yang, C. Justin Lee & Il-Joo Cho

< 연구의 주요내용 >
 1. 연구배경

  ○ 뇌신호 정밀측정 시스템은 뇌의 동작에 연계된 뇌신호를 측정하는 중요한 도구로서, 뇌 연구뿐만 아니라, 뇌-기계접속 시스템(brain-machine interfaces, BMIs)  등에 필수 요소이다. 정밀한 뇌신호 측정을 위해 뇌에 삽입하는 전극 어레이 형태의 브레인 칩이 주목받고 있다.
  ○ 뇌신호를 통해 사람의 생각을 읽어 생각으로 로봇팔, 휠체어 등의 외부기기를 구동하거나 문자를 생각으로 입력하는 시스템에 대한 연구가 활발하다. 특히 일론 머스크가 투자한 뉴럴링크 사에서는 최근 뇌-기계 접속 시스템을 위한 브레인칩을 개발해 선보였다.
  ○ 기존 브레인칩은 뇌의 여러 부위에서 뇌신호를 측정하여 몸을 제어하기 위한  뇌신호나 의도 등을 읽을 수는 있지만, 자극 기능이 없어 뇌의 기능을 조절하거나 제어할 수 없다는 한계가 있었다. 자극 기능의 부재로 이상 뇌회로 제어 등 뇌질환 치료 기술 개발 연구에 적용이 어렵다. 
  ○ 또한 브레인칩은 뇌의 특정부위에 삽입되는 침습적 방식이어서 비침습적인 영상기술을 활용하는 방식과 달리 삽입 시에 뇌조직에 영향을 미친다. 따라서 뇌에 삽입되는 구조체의 크기를 줄이는 것이 매우 중요하다.
  ○ 뇌기능을 조절하기 위해서는 전기, 빛, 약물 등으로 뇌부위를 자극할 수 있어야 하지만 현재까지 개발된 브레인칩은 대부분 측정만 할 수 있고 다중 부위에서 뇌신호를 측정하면서 자극할 수 있는 시스템은 없다.
  ○ 기존 뇌심부자극술(DBS, deep brain stimulation) 은 뇌회로의 정밀 자극이 어렵고, 뇌신호의 변화를 동시에 측정하기 어렵다는 단점이 있다.

 2. 연구내용
  ○ 이 연구에서는 전기, 빛, 약물을 이용한 자극 기능이 포함된 브레인 칩을 개발하였다. 또한, 자극에 반응하는 뇌신호를 뇌의 여러 곳에서 동시에 측정할 수 있는 기능도 포함되어 있다.
  ○ 광자극을 위한 광도파로와 약물전달을 위한 미소유체채널, 전기 자극 및 뇌신호 측정을 위한 전극을 모두 하나의 구조로 통합하였다. 미세 기계 전자시스템 기술을 이용하여 머리카락 크기의 초소형 실리콘 구조체에 자극과 측정을 위한 요소들을 모두 집적할 수 있었다. 
  ○ 개발된 브레인칩의 성능을 평가하기 위해 살아있는 생쥐에서 기억을 담당한다고 알려진 해마영역을 빛과 약물로 자극하여 해당 영역의 뇌회로를 강화하거나 약화시킬 수 있음을 뇌신호 측정을 통하여 확인하였다.
  ○ 개발된 다기능 브레인칩은 기존의 다기능 브레인 칩에 비해서 뇌조직의 손상이 현저히 줄어들었음을 조직의 면역 반응 염색을 통해서 확인하였다.
  ○ 개발된 브레인칩을 통해서 해마 영역에 빛으로 자극을 가하여 신경세포간의 연결이 강화되고, 약물을 주입하여 연결이 약화되며, 시간이 일정 시간 후에 연결이 다시 회복되는 것을 뇌신호 변화를 통해서 확인할 수 있었다.

 3. 기대효과
  ○ 이번에 개발된 브레인칩은 뇌기능을 규명하기 위한 다양한 뇌회로 연구에 적용될 수 있다. 특정 뇌부위를 자극하고 연결된 뇌부위에서뇌신호 측정을 통해 뇌의 동작 원리 규명에 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
  ○ 최근 주목받는 뇌-기계 접속 시스템은 뇌신호를 읽는 것만 가능하지만, 자극 기능이 집적된 브레인칩을 이용하여 뇌 기능 조절 및 제어까지 가능한 양방향 시스템이 가능할 것으로 기대된다.
  ○ 약물과 빛을 이용하여 이상 뇌회로를 자극하고 뇌신호를 측정하여 뇌회로의 변화를 정밀하게 관찰할 수 있다. 뇌질환의 원인이 되는 비정상 뇌회로를 자극하여 정상으로 되돌리려는 연구에 응용될 경우 뇌질환 치료 기술 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

다기능 브레인칩의 개념도
(그림1) 다기능 브레인칩의 개념도
4개의 탐침에서 광자극, 약물전달 등의 자극과 신경신호 측정을 통하여 신경세포간의 연결을 확인하는 모습을 보여주는 개념도
 

브레인칩을 구성하고 있는 다기능 탐침 어레이
(그림2) 브레인칩을 구성하고 있는 다기능 탐침 어레이
(좌) 브레인 칩을 구성하고 있는 탐침 어레이의 확대 모습, (우) 광자극, 약물자극, 전기자극 및 신호 측정 기능이 집적된 초소형 브레인칩이 패키징된 모습,

󰊳 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

우리 연구실은 다양한 형태의 브레인 칩을 개발해 왔습니다. 미시간 대학교에서 포스닥 과정중에 브레인 칩 개발 연구를 시작했으며, KIST 뇌과학연구소에서 관련 연구를 계속 수행하고 있습니다. KIST에서 브레인칩을 개발하기 시작할 때 기능성 뇌회로 연구에 필요한 기술들에 관해 논의하였으며, 자극 기능과 측정 기능이 포함된 초소형 다기능 브레인 칩 개발에 착수하게 되었습니다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

브레인칩 개발 과정에서 가장 중요한 것은 다양한 기능을 포함하되 소형으로 제작하는 일입니다. 미세기계전자시스템 기술을 이용하여 머리카락 크기보다 작은 크기의 구조에 광도파로, 미소유체채널, 전극 등을 모두 집적할 수 있었습니다. 제작 공정을 디자인하고, 신뢰성 있는 공정 조건을 확립하는 단계에서 많은 어려움을 겪었습니다. 또한 제작된 브레인칩의 성능을 잘 보여줄 수 있는 동물실험을 디자인 하는 일도 중요한 일이었습니다. 공저자로 참여중인 신경과학자들과의 심도 깊은 논의를 통하여 동물 실험을 디자인할 수 있었습니다. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

제작된 브레인 칩의 성능을 평가하기 위해서는 살아 있는 생쥐의 뇌를 이용한 동물 실험이 필요합니다. 저희 연구실은 모두 공학자들로 이루어진 연구실이라, 동물 실험 과정과 노하우를 배우고 진행하는데 초기에 상당한 어려움을 겪었습니다. 이 과정에서 본 논문의 공동저자인 KIST 뇌과학연구소 이창준 박사(현재 IBS 소속) 연구팀을 비롯한 다양한 신경과학자들과의 공동연구가 큰 도움이 되었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 브레인 칩은 뇌신호 측정만이 가능하였으나, 본 연구에서는 다양한 자극 기능을 추가한 시스템을 추가한 것이 큰 차이점입니다. 따라서 기존에는 뇌의 동작 상태만 읽을 수 있었다면, 다기능 브레인칩을 이용하면 뇌의 기능을 제어와 조절이 가능합니다. 또한 빛이나 약물, 전기 신호 등의 자극에 의해서 변하는 뇌의 동작 상태를 뇌신호 측정으로 실시간 모니터링할 수 있다는 점도 큰 장점입니다. 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

다기능 브레인칩은 단기적으로는 뇌기능 연구 및 뇌질환 치료기술 개발에 사용될 수 있습니다. 현재에도 본 연구진에서 개발한 브레인칩을 국내 10개 이상의 연구실에서 관련 연구에 활용중입니다. 시장만 확보된다면 실용화 단계로 진입하여 더 많은 연구자들이 활용할 수 있을 것으로 생각됩니다. 장기적으로는 인간을 대상으로 한 뇌-기계 인터페이스 시스템과 뇌질환 치료 기기에 적용될 수 있을 것입니다. 이를 위해서는 장기간 뇌에 삽입될 때 발생하는 뇌 조직 손상 문제 등이 해결되어야 할 것입니다.

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