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뉴스 생명과학
인공 뇌 신호 분석해서 뇌 지도 제작한다.
Bio통신원(한국과학기술연구원)
- 평면형태의 뇌 신호만 측정할 수 있던 기술의 한계 극복
- 인간 세포 기반 인공 뇌에 적용 가능한 새로운 뇌 질환 치료제 평가 방법 제시
<KIST 신효근 학생연구원, KIST 최낙원 박사, KIST 조일주 박사>
우리 뇌는 다른 장기와는 달리 두껍고 단단한 두개골로 덮여 있어 접근이 어려워 해상도가 낮은 영상 기반이나 두개골 밖에서 측정하는 뇌파 분석 등으로 연구 방법이 한정되어 있었다. 이로 인해 뇌의 발달 단계에서 일어나는 다양한 현상이나 장애의 원인, 그리고 그 치료기술을 개발하는 연구에도 한계가 있었다. 최근에는 쥐에서 추출된 신경세포나 인간 유래의 유도만능줄기세포(iPSC)를 이용하여 인공 뇌를 구현하고, 이를 이용하여 뇌 발달 과정을 연구하거나 뇌 질환의 원인을 규명하는 연구가 뇌의 신비를 풀어 줄 열쇠로 주목을 받고 있다.
과거 인공 뇌는 평면 형태로 제작하여 연구해왔는데, 입체적인 실제 뇌와의 괴리를 줄이기 위해 3차원(3D) 형태의 입체적인 인공 뇌가 2017년 KIST 연구팀에 의해 개발된 바 있다. 하지만, 3D 인공 뇌의 신호를 연구하기 위한 분석 툴은 개발되지 않아, 표면에서의 신호만 분석하거나 입체 구조를 평면 형태로 무너뜨려 연구해야 해서 복잡하게 얽혀진 인공 신경망에서의 신경 신호 추적에 한계가 있었다.
한국과학기술연구원(KIST)은 뇌과학연구소 조일주, 최낙원 박사팀이 입체 형태의 인공 뇌 회로를 망가뜨리지 않고 정밀하게 자극하고 세포 단위의 신경 신호를 내부의 여러 곳에서 실시간으로 측정할 수 있는 초소형 분석 시스템을 개발했다고 밝혔다.
연구진이 개발한 3차원 다기능 신경 신호 측정 시스템은 머리카락 절반 정도인 50㎛ 두께의 실리콘 탐침 어레이에 63개의 침 형태의 전극을 집적한 형태로, 인공 뇌에 꽂아 뇌 신경망 회로 내부 여러 곳의 신호를 동시에 측정할 수 있다. 탐침 내부에는 광섬유와 약물 전달 채널이 집적되어 있어 뇌 세포를 빛이나 약물로 정밀하게 자극하여 자극에 반응하는 인공 뇌 회로의 기능 변화를 측정함으로써, 인공 뇌를 이용한 뇌 기능 및 질환 연구를 가능하게 하였다.
연구팀은 개발된 시스템을 이용하여 인공 뇌의 뇌세포를 빛으로 자극하고 이에 반응하여 전파되는 신호를 여러 곳에서 동시에 측정하여 뇌 신호의 전파속도가 뇌세포 부위별로 다름을 밝혀내었다. 뇌지도를 작성함에 있어 전자현미경을 통해 제작할 수 있는 구조적 뇌 지도뿐만 아니라 복잡한 인공 뇌 회로망 내에서 뇌 회로가 어떻게 기능적으로 연결되어 있는지를 보여주는 3차원 기능적 뇌지도를 작성할 수 있는 가능성을 확인했다.
KIST 최낙원 박사는 “개발한 시스템을 통해서 다양한 뇌 발달 장애와 뇌 질환의 원인 및 치료 방법 등을 연구할 수 있게 되었다.”라고 말했다. 공동 연구책임자인 조일주 박사는 “기존에는 불가능하였던 3차원의 인공 뇌 기능 측정을 가능하게 하는 시스템 개발로 다양한 뇌 질환 치료제 개발 기간을 획기적으로 단축할 수 있는 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단의 미래뇌융합기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 ‘Nature Communications’ (IF: 12.121) 최신 호에 게재되었다.
* (논문명) 3D high-density microelectrode array with optical stimulation and drug delivery for investigating neural circuit dynamics
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 신효근 학생연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 최낙원 책임연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 조일주 책임연구원
연구 결과 개요
1. 연구 배경
뇌는 다른 장기와는 달리 접근이 어렵고 구조가 복잡하여, 뇌의 동작 원리뿐만 아니라 뇌 질환의 원인 등 알려지지 않은 부분이 많은 미지의 영역이다. 최근에, 이처럼 복잡한 뇌를 연구하기 위하여 뇌세포를 이용하여 인공으로 뇌 회로를 제작하거나, 줄기세포 기반의 오가노이드를 이용하여 인공적으로 미니뇌를 구현하였다. 이와 같은 방법들로 생체와 유사한, 3D 형태의 인공 뇌를 구현하고 있지만, 입체 형태의 인공 뇌에서 신경 신호를 측정할 방법이 없어, 인공 뇌의 표면에서만 신호 측정이 가능하였고, 뇌 회로 추적에 한계가 있었다. 따라서, 인체의 뇌와 유사한 3D 인공 뇌의 기능을 측정하고 평가하기 위한 기술이 요구되고 있다. 또한, 인공 뇌 회로 구역간의 기능적 연결을 밝혀내기 위하여 인공 뇌의 일부분만 정밀하게 자극할 수 있는 측정 기술의 집적 또한 필요하다.
2. 연구내용
본 연구에서는 3D 구조의 인공 뇌에서 신경 신호를 측정하기 위한 기술을 개발하였다. MEMS 기술을 이용하여 머리카락 두께 절반 크기의 탐침으로 어레이를 제작하여 인공 뇌 회로 형성 과정에서 탐침에 의한 영향을 최소화하였다. 그뿐만 아니라, 약물 전달 기능과 광자극 기능을 집적하여, 인공 뇌의 활성도를 강화하거나 약화할 수 있었다. 이를 통하여, 인공 뇌 내부의 뇌 회로 연구뿐만 아니라, 다양한 뇌 질환 치료제의 효과를 검증할 수도 있다.
실제 뇌와 유사한 인공 뇌는 뇌 회로의 발달 과정을 자세히 관찰할 수 있어, 뇌의 발달 연구에 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 실제 뇌에서 수행하기 어려운 다양한 연구를 가능하게 한다. 본 연구에서는 이러한 기술을 활용하여 생체 내에서 어려웠던 다양한 실험 결과들을 보여주었다. 쥐의 뇌세포로 인공 뇌 회로를 구성 후 배양하면서, 개발된 마이크로시스템을 이용하여 신경 신호의 변화를 매일 관찰하였다. 이를 통하여, 언제 뇌 회로가 기능적으로 연결되는지를 알아낼 수 있었고, 이는 태아의 발달 과정에서 언제 뇌의 기능이 생기는지를 알 수 있는 단서가 될 것이다. 또한, 뇌 신호가 전달될 때의 속도에 영향을 미치는 요인을 분석할 수도 있었다. 실험을 통하여, 인접한 세포로의 신호전달이 세포 내에서의 신호전달보다 시간이 오래 소요됨을 알 수 있었다. 그뿐만 아니라, 오가노이드 등 3차원 인공 뇌 내에서의 기능적 연결 지도 작성이 가능함도 보여주었다.
3. 기대효과
기존의 인공 뇌는 뇌와 닮았는지를 구조적으로만 확인 가능하였지만, 개발된 기술을 활용하면 기능적으로도 실제 뇌와 얼마나 유사한지를 평가할 수 있게 된다. 또한, 인간 세포로 제작한 오가노이드를 환자 맞춤형 약물 개발에 활용할 때, 뇌 질환에 효과가 있는지를 기능 변화 관찰을 통해 판단할 수 있다. 이를 통하여, 뇌 질환 치료제 개발 기간을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 이에 더하여, 뇌의 발달 단계에서 일어나는 다양한 현상 중 기능에 관련된 현상들을 관찰할 수 있어, 뇌의 신비를 풀고 발달 장애의 원인 및 치료 규명에도 도움을 줄 수 있을 것이다.
연구 결과 문답
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
◯ 2017년 본 논문의 공동 교신 저자인 최낙원 박사가 Nature Communications에 기억과 학습을 담당하는 해마를 모사한 3차원 인공 뇌 회로를 구현하였음
◯ 이때, 신경 신호 측정에 어려움을 겪었으며, 3차원 인공 뇌 회로에서의 신경 신호 측정 기술 개발의 필요성에 공감하고 같이 연구 개발을 시작하였음
◯ 최근 미니뇌로 불리는 뇌 오가노이드 등 3차원 뇌 회로 형성 기술이 주목을 받으면서, 3차원 인공 뇌에서의 신경 신호 측정 필요성이 더욱더 증대되고 있음
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
◯ 기존에는 생체와 유사한 3차원 인공 뇌 회로를 구성하여도, 기술의 한계로 인하여 2차원 전극을 사용하여 신경 신호를 측정하였음. 이 경우에는 3차원 구조체의 표면에서만 신호를 측정하기 때문에 신경 신호 추적이 어려움. 이는 신경세포들이 2차원이 아닌 3차원으로 연결되어 있기 때문임
◯ 본 연구에서 개발한 기술은 3차원 구조 내의 여러 곳에서 동시에 신호 측정이 가능하여, 뇌 회로가 어떻게 연결되어 있고 신호가 어떤 과정을 거쳐 신경 신호가 전달되는지 등을 측정할 수 있음. 따라서, 신경세포들이 기능적으로 연결된 지도를 그릴 수 있다는 점에 진보성이 있음
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
◯ 인공 뇌 회로를 이용하여 약물의 효능을 평가하는 용도로 사용 가능함. 최근 환자의 줄기세포로 만든 뇌 오가노이드를 이용하여 환자 맞춤형 약물을 개발하려는 연구가 활발히 진행 중임
◯ 기존에는 약물의 독성 정도만 평가를 할 수 있었지만, 본 연구 결과를 활용하면 약물 투여 후에 뇌 회로의 기능이 어떻게 변하는지를 평가할 수 있으므로, 약물의 효능을 직접적으로 평가할 수 있음
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
◯ 인공 뇌 회로를 이용한 환자 맞춤형 약물 효능 평가 시스템에 적용하여, 인간의 세포로 구현된 뇌 회로를 이용하여 직접 평가 가능함. 기존 임상에서만 검증이 가능하였던 약물 효능의 검증이 가능해지므로, 뇌 질환 치료제 개발에 걸리는 시간을 상당히 단축할 수 있을 것으로 기대됨
◯ 약물 검증 플랫폼에 사용되기 위해서는 한 번에 여러 테스트를 동시에 수행할 수 있어야 함. 이를 위하여, 후속 과제로 다량의 인공 뇌 회로 동시 배양 및 신경 신호 동시 측정 시스템을 개발 중임
[그림 1] 3D 인공 뇌 회로와 자극 및 신경 신호 측정을 위한 3차원 다기능 전극 어레이
[그림 2] KIST 연구진이 제작한 3차원 인공 뇌 회로 측정용 다기능 3D 전극 어레이
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