스마트폰 앱 간단히 조작해 뇌 기능 조절한다

↑ KAIST 연구진이 개발한 신경회로 조절을 위한 뇌 이식용 무선 기기 시스템. 스마트폰 애플리케이션(앱)을 이용해 간단하게 조작할 수 있고, 이를 통해 뇌 특정 부위에 약물을 전달하거나 빛 자극을 가해 반응하게 만들 수 있다. [사진 제공 = KAIST]

국내 연구진이 스마트폰 애플리케이션(앱)을 이용해 동물의 뇌에 이식한 신경회로를 무선으로 자극할 수 있는 기술을 개발했다. 신약 개발은 물론 치매, 파킨슨병 등 뇌 질환 치료에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
정재웅 KAIST 전기 및 전자공학부 교수와 마이클 브루카스 미국 워싱턴대 교수 공동 연구진은 스마트폰 앱 조작을 통해 약물과 빛을 뇌 특정 부위에 전달함으로써 신경회로를 정교하게 조절할 수 있는 뇌 이식용 무선 기기 시스템을 개발했다고 8일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 바이오메디컬 엔지니어링' 6일자에 게재됐다.
빛을 이용해 생체 기능을 조절하고 약물을 전달하는 광유전학은 원하는 신경회로나 뇌세포(뉴런)만을 선택적으로 자극할 수 있어 최근 뇌 연구와 뇌 질환 치료 분야에서 각광받고 있다.그러나 기존 기기는 상대적으로 크기가 크고 딱딱한 금속 등으로 제작돼 뇌 조직을 손상시키거나 정교한 신경회로 자극이 사실상 불가능했다. 특히 현재 쓰이는 과섬유와 약물주입관 등은 뇌 이식 후 외부기기에 선이 연결된 형태로 사용해야 하는 한계가 있어 자유로운 움직임을 추적 관찰하는 데는 한계가 있었다.
이런 문제를 해결하기 위해 연구진은 부드러운 폴리머로 이뤄진 미세유체관과 마이크로 발광다이오드(LED)를 결합해 머리카락 두께의 유연한 탐침을 만들었다. 그리고 이를 소형 블루투스 기반 제어 회로, 사용 후 교체가 가능한 약물 카트리지와 결합해 2g 수준의 뇌 이식용 소형 무선기기를 만들었다. 이 기기는 블루투스를 이용해 앱으로 구동 가능하다.
또 약물 카트리지의 경우 모듈 조립 방식의 완구인 '레고'의 원리를 모사해 탐침 부분과 쉽게 조립 및 분리할 수 있도록 제작했다. 정 교수는 "필요할 때마다 새로운 약물 카트리지를 결합함으로써 원하는 약물을 장기간에 걸쳐 뇌의 특정 부위에 반복 전달할 수 있도록 한 것"이라고 설명했다.
연구진은 이 기기를 쥐의 뇌 보상회로에 이식한 뒤 도파민 활성 약물과 억제 약물이 든 카트리지를 기기와 결합한 뒤 간단한 스마트폰 앱 조작으로 원하는 시점에 자유롭게 움직이는 쥐의 행동을 증가 또는 억제하는 데 성공했다. 연구진은 빛에 활성을 보이는 단백질을 주입해 쥐의 뇌에서 장소 선호도를 높일 수 있는 부위에 주입한 뒤 빛 자극을 통해 쥐가 특정 장소에 계속 머무르게 만드는 데도 성공했다.
정 교수는 "빛과 약물을 이용한 신경회로 자극은 기존의 전기자극 방식보다 훨씬 정교한 만큼 부작용이 거의 없는 뇌 기능 조절이 가능하다"며 "개발된 기기는 간단한 스마트폰 조작으로 뇌의 특정 회로를 빛과 약물을 이용해 반복적, 장기적인 무선 자극이 가능해 뇌 기능을 밝히기 위한 연구나 뇌 질환의 치료에도 유용하게 적용할 수 있을 것"으로 기대했다.
[송경은 기자]