무선 충전 가능한 부드러운 뇌 이식 장치
무선 충전 가능한 부드러운 뇌 이식 장치
  • 함예솔
  • 승인 2021.02.03 23:55
  • 조회수 392
  • 댓글 0
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국내 연구진이 무선 충전 가능한 뇌 이식 장치를 개발했습니다. 이 장치는 이식 후 생체 내에서 장기간에 걸쳐 배터리 교체 없이 스마트폰을 이용해  빛으로 뇌의 신경회로를 정교하게 조절할 수 있습니다.

출처: KAIST
LED 탐침이 쥐의 뇌에 삽입된 상태에서, 쥐의 두피 안에 완전히 이식된 디바이스의 개념도 . 출처: KAIST

KAIST 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀이 연세대 의대 김정훈 교수팀과 공동 연구를 통해 뇌 완전 이식형 무선 광유전학 기기를 개발했습니다. 이번 개발 기술은 장기간에 걸친 동물 실험이 필요한 뇌 기능 연구뿐 아니라 향후 인체에 적용돼 중독과 같은 정신질환 및 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌 질환 치료에도 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 이번 연구는 'Nature Communications'에 게재됐습니다.

 

빛으로 뇌 신경회로 제어 

 

광유전학은 빛을 이용해 목표로 하는 특정 신경세포만을 선택적으로 정교하게 제어할 수 있다는 점에서 뇌 기능을 밝히고 각종 뇌 질환을 치료할 해결책으로 뇌과학 및 신경과학 분야에서 주목받고 있습니다. 

 

기존의 광유전학은 외부기기와 연결된 광섬유를 통해 신경세포에 빛을 전달하는 방법을 사용하고 있는데, 이러한 유선 방식은 동물의 자유로운 움직임을 크게 제한한다는 점에서 복잡한 동물 실험을 구현하는 데 제약이 있습니다. 반면 최근에 개발된 무선 임플란트 기기들은 동물의 행동을 제약하지는 않지만, 주기적인 배터리의 교체가 필요하거나 외부 장비로부터 무선으로 전력을 공급받아야 하므로 독립적이지 못하고 동작이 안정적이지 못하다는 한계가 있습니다.

  • 광유전학

빛으로 생체 조직의 세포들을 조절할 수 있는 생물학적 기술로, 신경 세포를 유전적으로 조작해 빛에 반응하는 이온 채널을 발현시켜 주고, 특정한 파장의 빛을 주어 선택적으로 그 세포들만 반응하게 합니다.

연구팀은 배터리의 무선 충전과 디바이스의 무선 제어를 가능하게 만드는 무선 회로를 개발해 마이크로 LED 기반의 탐침과 결합했습니다. 이를 통해 동물이 자유롭게 움직이는 상태에서도 배터리의 무선 충전이 가능하고, 스마트폰 앱을 통해 광자극을 무선으로 제어할 수 있는 무게 1.4그램(g)의 뇌 완전이식형 기기를 구현했습니다. 나아가 생체 이식 후 기기에 의해 주변의 조직이 손상되는 것을 방지하고자, 기기를 매우 부드러운 생체적합성 소재로 감싸 생체조직과 같이 부드러운 형태가 되도록 개발했습니다.

개발된 뇌 이식용 무선 디바이스. (좌) 무선 디바이스의 사진. LED 탐침이 쥐의 뇌에 삽입된 상태에서, 쥐의 두피 안에 완전히 이식된 디바이스의 개념도 (중) 및 X-ray 사진 (우). 출처: KAIST
개발된 뇌 이식용 무선 디바이스. (좌) 무선 디바이스의 사진. LED 탐침이 쥐의 뇌에 삽입된 상태에서, 쥐의 두피 안에 완전히 이식된 디바이스의 개념도 (중) 및 X-ray 사진 (우). 출처: KAIST
정재웅 교수. 출처: KAIST
정재웅 교수. 출처: KAIST

 

 

이번 연구를 주도한 KAIST 정재웅 교수는 "개발된 장치는 체내 이식 상태에서 무선 충전이 가능하므로 배터리 교체를 위한 추가적인 수술 필요 없이 장기간 사용이 가능하다"며 "이 기술은 뇌 이식용 기기뿐 아니라 인공 심박동기, 위 자극기 등 다양한 생체 이식용 기기에 범용적으로 적용될 수 있을 것이다"고 말했습니다.

무선 제어용 스마트폰 앱. (좌) 연결 가능한 디바이스 선택 화면. (중) 배터리 잔량 확인 및 마이크로 LED 제어 화면. (우) 스마트폰 앱을 이용한 완전이식된 디바이스의 마이크로 LED 제어. 출처: KAIST
무선 제어용 스마트폰 앱. (좌) 연결 가능한 디바이스 선택 화면. (중) 배터리 잔량 확인 및 마이크로 LED 제어 화면. (우) 스마트폰 앱을 이용한 완전이식된 디바이스의 마이크로 LED 제어. 출처: KAIST

연구팀은 이 기기를 LED 탐침이 쥐의 뇌에 삽입된 상태에서 두피 안으로 완전히 이식하고 쥐가 자유롭게 움직이는 상태에서 배터리가 자동으로 무선 충전될 수 있음을 확인했습니다. 또한 연구팀은 중독성 약물인 코카인에 반복적으로 노출된 쥐의 특정 뇌 부위에 무선으로 빛을 전달해 코카인으로 인한 행동 민감화 발현을 억제함으로써 광유전학이 코카인에 의한 중독 행동 제어에 적용될 수 있음을 보였습니다.

뇌 이식용 무선 디바이스를 이용한 코카인 중독행동 제어 실험. (좌) 쥐의 특정 뇌 부위에 바이러스를 통한 유전자 전달로 빛에 반응하는 이온 채널 발현 유도. (중) 두피 안에 무선 디바이스가 이식된 쥐의 모습. (우) 코카인에 의해 유도된 행동민감화 반응을 무선 스마트폰을 이용한 빛 자극 전달로 억제. 출처: KAIST
뇌 이식용 무선 디바이스를 이용한 코카인 중독행동 제어 실험. (좌) 쥐의 특정 뇌 부위에 바이러스를 통한 유전자 전달로 빛에 반응하는 이온 채널 발현 유도. (중) 두피 안에 무선 디바이스가 이식된 쥐의 모습. (우) 코카인에 의해 유도된 행동민감화 반응을 무선 스마트폰을 이용한 빛 자극 전달로 억제. 출처: KAIST
김정훈 교수. 출처: KAIST
김정훈 교수. 출처: KAIST

 

 

 

 

아울러 공동연구자 연세대 의대 김정훈 교수는 "자유롭게 움직이는 동물을 바라보며, 단지 스마트폰 앱을 구동해 뇌에 빛을 전달하고, 그로 인해 동물의 특정 행동을 제어할 수 있다는 사실이 매우 흥미롭고, 많은 상상력을 자극한다"라고 말했습니다. 

 

 

 

 

연구팀은 이 기술을 궁극적으로 인체에 적용할 수 있도록 기기를 더욱 소형화하고 MRI 친화적인 디자인으로 발전시키는 확장 연구를 계획하고 있습니다. 


##참고자료##

 

 


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