출처: https://www.aitimes.com/news/articleView.html?idxno=135964

정재웅 전기 및 전자공학부 교수 연구팀, 연세대 의대 김정훈 교수팀과 공동 연구
배터리 교체 없이 장기간 사용 뇌에 이식해 사용 가능
빛으로 뇌 신경회로 제어 가능한 광유전학 기기
뇌 뿐 아니라 인공 심박기, 위 자극기에도 적용될 것으로 기대
22일 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재

정재웅 카이스트(총장 신성철) 연구팀이 무선 충전 가능한 뇌 이식 장치를 개발했다. 생체에 한번 이식하면 장기간 배터리 교체 없이도 사용이 가능한 장치로 스마트폰과 연동해 뇌의 신경회로 조절도 가능하다.

26일 카이스트는 정재웅 전기 및 전자공학부 교수 연구팀이 연세대 의대 김정훈 교수팀과 공동 연구를 통해 ‘뇌 완전 이식형 무선 광유전학 기기’를 개발했다고 밝혔다.

이번에 개발한 기술은 장기간 동물 뇌 실험 연구뿐 아니라 직접 인체에 적용해 정신질환과 파킨슨병 등 뇌 질환 치료에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

김충연 카이스트 전기 및 전자공학부 박사과정, 구민정 연세대 의대 박사과정 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 논문 ‘무선 배터리 충전과 프로그램 조절이 가능한 광유전학 어플리케이션의 부드러운 피하 이식(Soft subdermal implant capable of wireless battery charging and programmable controls for applications in optogenetics)은 22일 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.

정재웅 교수 연구팀이 개발한 뇌 이식용 무선 디바이스(사진=카이스트)

광유전학은 빛으로 생체 조직 세포를 조절하는 기술이다. 뇌 세포를 연구해 뇌 기능을 밝히고 각종 관련 질환을 치료할 수 있어 뇌과학과 신경과학 분야에서 주목받고 있다.

연구팀이 개발한 기술로 동물 실험 시 피실험체 움직임 제약을 극복할 수 있다. 기존 광유전학 기술은 실험 동물을 광섬유로 외부 기기와 연결해 피실험체가 자유롭게 움직일 수 없었다. 이어 무선 이식 기기들이 개발됐지만, 주기적인 배터리 교체 문제로 장기간 독립된 실험에는 역시 한계가 있었다.

이에 연구팀이 개발한 무선 충전 기기는 기존 움직임 제약을 극복하고 배터리 교체 문제도 해결할 수 있을 것으로 전망된다.

연구팀은 무선 충전과 무선 제어를 위해 마이크로 LED 기반 탐침에 결합 가능한 무선 회로를 개발했다. 탐침은 전자나 염기배열에 상보적인 짧은 길이의 DNA 혹은 RNA 단편으로, 방사성 원소나 염색물질을 단편에 표지해 찾고자 하는 유전자에 결합시켜 그 위치를 추적한다.

무선 조절 스마트폰 앱(사진=카이스트)

이를 통해 배터리 무선 충전과 스마트폰 애플리케이션으로 광자극 무선 제어가 가능한 1.4g의 뇌 완전이식형 기기를 구현했다. 이식 후 기기가 주변 생체 조직을 손상시키지 않도록 기기를 부드러운 생체적합성 소재로 감쌌다.

연구팀은 기기를 쥐의 뇌에 이식해 배터리가 자동으로 무선 충전되는 것을 확인했다. 뿐만 아니라 쥐가 실험 중 자유롭게 움직이는 모습도 포착할 수 있었다. 또 연구팀은 코카인에 반복적으로 노출된 쥐의 특정 뇌 부위에 무선으로 빛을 전달하는 실험을 진행했다. 이에 코카인으로 인한 행동 민감화 발현을 억제함으로써 광유전학이 코카인 중독 행동을 제어할 수 있음을 증명했다.

뇌 이식용 무선 기기를 이용한 코카인 중동행동 제어 실험(사진=카이스트)

연구팀은 기술을 더 소형화하고 MRI 친화적 디자인으로 발전시켜 궁극적으로 인체에 적용할 수 있도록 연구를 확장할 계획이다.

이번 연구를 주도한 정 교수는 “개발된 장치는 체내 이식 상태에서 무선 충전이 가능하므로 배터리 교체를 위한 추가 수술 필요 없이 장기간 사용이 가능하다”라며 “이 기술은 뇌 이식용 기기뿐 아니라 인공 심박동기, 위 자극기 등 다양한 생체 이식용 기기에 범용적으로 적용할 수 있다”라고 말했다.