신경 네트워크 연결 실시간 조절한다..KAIST 신경 칩 플랫폼 개발

해초 추출 아가로즈 하이드로겔에
금 나노막대 광열 자극해 구현
신경돌기 간 연결·생장·제거 가능
뇌 구조·기능 연구모델 활용 도움

복잡한 뇌 구조를 모방한 신경 네트워크를 실시간 조절할 수 있는 기술이 개발됐다. 향후 뇌 신경 구조, 기능 연구 모델 개발 등에 널리 활용될 전망이다.

한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 남윤기 바이오 및 뇌공학과 교수팀이 나노입자 기술을 기반으로 신경 네트워크 연결을 실시간 조절할 수 있는 신경칩 플랫폼을 개발했다고 6일 밝혔다.

KAIST가 개발한 나노 광열 신경칩 플랫폼 모식도

신경 네트워크 모델을 체외 구현하려면 신경세포 위치·연결을 원하는 구조에 맞춰 정렬하는 기술이 필요하다. 그러나 수일 또는 수주에 걸친 세포 간 네트워크 형성 과정 중, 이들의 연결을 조절하는 것이 어려웠다.

연구진은 아가로즈 하이드로겔, 금 나노막대, 미세 전극 칩 기반 신경 칩 플랫폼을 제작해 문제를 해결했다. 해초 추출 물질인 아가로즈 하이드로겔은 배양기판 위에 다양한 패턴을 제작할 수 있다. 열에 녹는 특성이 있어 국소부위에 열을 가하면 원하는 곳의 하이드로겔을 제거할 수도 있다. 연구진은 금 나노막대를 근적외선을 흡수해 국소적인 열(광열)을 발생하는 매개체로 사용했다. 미세 전극 칩은 신경세포 전기적 신호를 비침습적으로 장기간 측정하는 역할을 한다.

연구진은 배양기판인 미세 전극 칩 위에 금 나노막대 층을 형성하고, 그 위에 미세 패턴을 지닌 아가로즈 하이드로겔 층을 제작함으로써, 독립된 신경 네트워크들을 구축했다.

남윤기 KAIST 바이오 및 뇌공학과 교수

연구진은 개발한 플랫폼으로 신경 네트워크 구조와 기능을 조절할 수 있음을 확인했다. 금 나노막대 층에서 발생한 열로 네트워크 사이 하이드로겔을 국소 제거한 결과, 이곳을 따라 신경돌기(축삭)가 생장하고 새로운 신경 연결이 생성됨을 확인했다. 여기에도 열을 가해 선택적인 제거가 가능했다. 또 광열 자극을 이용한 신경 활성 억제 현상으로 개별 네트워크 활성과 연결성을 조절할 수 있음을 확인했다.

남윤기 교수는 “개발 신경 세포 칩 플랫폼은 신경회로 구조와 기능을 세포 발달과정 중에 조절할 수 있다”며 “앞으로 뇌신경과학 연구를 위한 다양하고 복잡한 형태의 체외 신경 모델을 구현하는 데 활용될 것”이라고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com