뇌에 심은 '무선충전 칩'.. 뇌 질환 밝히는 열쇠 될까

국내 연구진이 무선 충전 가능한 뇌 이식 장치를 개발했다. /사진=카이스트 제공

국내 연구진이 무선 충전 가능한 뇌 이식 장치를 개발했다. 이식 후 생체 내에서 장기간에 걸쳐 배터리 교체 없이 스마트폰으로 뇌의 신경회로를 정교하게 조절할 수 있는 장치다.

카이스트(한국과학기술원) 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀은 연세대 의대 김정훈 교수팀과 공동 연구를 통해 뇌 완전 이식형 무선 광유전학 기기를 개발했다. 이 기술은 장기간에 걸친 동물 실험이 필요한 뇌 기능 연구와 향후 인체에 적용돼 중독과 같은 정신질환 및 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌 질환 치료에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

광유전학은 빛을 이용해 목표로 하는 특정 신경세포만을 선택적으로 정교하게 제어할 수 있어 각종 뇌 질환을 치료할 해결책으로 주목받고 있다. 기존의 광유전학은 외부기기와 연결된 광섬유를 통해 신경세포에 빛을 전달하는 방식을 사용했는데, 이는 동물의 자유로운 움직임을 크게 제했다. 최근에 개발된 무선 기기들은 행동 제약은 없지만, 주기적인 배터리 교체가 필요하며 무선 전력으로 동작이 안정적이지 못하다는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 배터리의 무선 충전과 제어가 가능한 무선 회로를 개발해 마이크로 LED 기반의 탐침과 결합했다. 동물이 자유롭게 움직이는 상태에서도 배터리의 무선 충전이 가능하고, 스마트폰 앱을 통해 광자극을 무선으로 제어할 수 있는 1.4g의 뇌 완전이식형 기기를 구현한 것이다. 나아가 생체 이식 후 기기에 의해 주변의 조직이 손상되는 것을 방지하고자, 기기를 매우 부드러운 생체적합성 소재로 감싸 부드러운 형태가 되도록 개발했다.

연구를 주도한 정재웅 교수는 "개발된 장치는 체내 이식 상태에서 무선 충전이 가능하므로 배터리 교체를 위한 추가적인 수술 필요 없이 장기간 사용할 수 있다"ˮ며 "이 기술은 뇌 이식용 기기뿐 아니라 인공 심박동기, 위 자극기 등 다양한 생체 기기에 범용적으로 적용될 수 있을 것"이라고 말했다. 연구팀은 이 기기를 삽입한 실험 쥐를 이용해 코카인에 의한 중독 행동 제어에 적용될 수 있음을 증명했다.

공동연구자 김정훈 교수는 "자유롭게 움직이는 동물을 바라보며, 단지 스마트폰 앱을 구동해 뇌에 빛을 전달하고, 그로 인해 동물의 특정 행동을 제어할 수 있다는 사실이 매우 흥미롭다"고 말했다. 연구팀은 이 기술을 인체에 적용할 수 있도록 기기를 더욱 소형화하고 MRI 친화적인 디자인으로 발전시킬 것을 계획하고 있다.

이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 최근 게재됐다.

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