지난 26일, KAIST 전기 및 전자공학부 정재웅 교수 연구팀이 연세대 의대 김정훈 교수팀과의 공동 연구를 통해 뇌 완전 이식형 무선 광유전학 기기를 개발했다고 밝혔다.
이 장치는 이식 후 생체 내에서 장기간에 걸쳐 배터리 교체 없이 스마트폰을 이용해 빛을 통해 뇌의 신경회로를 정교하게 조절할 수 있다.
이 기술은 장기간에 걸친 동물 실험이 필요한 뇌 기능 연구뿐 아니라 향후 인체에 적용돼 중독과 같은 정신질환 및 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌 질환 치료에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
광유전학은 빛을 이용해 목표로 하는 특정 신경세포만을 선택적으로 정교하게 제어할 수 있어 뇌 기능을 밝히고 각종 뇌 질환을 치료할 해결책으로 뇌과학 및 신경과학 분야에서 주목받고 있다.
기존의 광유전학은 외부기기와 연결한 광섬유를 통해 신경세포에 빛을 전달하는 방법을 사용하고 있는데, 이러한 유선 방식은 동물의 자유로운 움직임을 크게 제한한다는 단점이 있고 최근 개발된 무선 방식은 유선 방식의 단점이 개선된 대신 전력을 공급하는 데 한계가 있다.
연구팀은 무선 충전과 무선 제어를 가능하게 만드는 무선 회로를 개발해 마이크로 LED 기반의 탐침과 결합했다. 이를 통해 동물이 자유롭게 움직이는 상태에서도 배터리의 무선 충전이 가능하고, 스마트폰 앱을 통해 광자극을 무선으로 제어할 수 있는 무게 1.4g의 뇌 완전 이식형 기기를 구현했다. 나아가 생체 이식 후 기기로 주변 조직이 손상되는 것을 방지하기 위해 기기를 매우 부드러운 소재로 감싸 생체조직과 같이 부드러운 형태가 되도록 개발했다.
이번 연구를 주도한 KAIST 정재웅 교수는 "이번에 개발한 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 다양하게 적용할 수 있을 것"이라고 예상했다.
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."고 말했다. 연구팀은 이 기술을 궁극적으로 인체에 적용할 수 있도록 기기를 더욱 소형화하고 MRI 친화적인 디자인으로 발전시키는 확장 연구를 할 계획이다.
KAIST 전기및전자공학부 김충연 박사과정, 연세대 의대 구민정 박사과정 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 1월 22일자에 게재됐다.