인공 신경으로 척수 손상된 쥐 다리 움직였다

서울대·스탠퍼드대 공동연구팀

척수 혹은 운동 신경이 손상된 쥐(왼쪽), 신축성 인공 신경을 통해 신경이 손상된 쥐의 운동 기능 회복. 서울대 제공.

서울대 연구진이 미국 스탠퍼드대 연구진과 공동연구를 통해 척수가 손상된 쥐의 근육 운동을 신경을 모방하는 ‘뉴로모픽’ 유기 인공 신경을 통해 회복하는 데 성공했다. 척수나 신경이 손상된 환자에게 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링’ 16일자(현지시간)에 게재됐다. 

한번 손상된 신경은 재건하기 어렵다. 생체 신호를 제대로 전달하지 못하고 신체 기능 일부 또는 전부를 영구적으로 상실할 수도 있다. 손상된 신경을 치료하기 위해 외과적 수술과 약물치료 등 다양한 시도가 진행됐지만 한번 손상됐거나 퇴화된 신경 기능을 다시 회복하는 것은 쉽지 않다. 

신경 손상 환자 재활을 위해 기능적 전기자극 치료 등 컴퓨터로 제어되는 신호로 근육에 전기자극을 가해 근육 수축을 유발하는 방식 등이 활용되고 있다. 하지만 복잡한 디지털 회로나 컴퓨터가 필요하고 생체적합성이 부족해 환자가 오랜 시간 사용하는 데 어려움이 있다. 

이태우 서울대 재료공학부 교수와 제난 바오 스탠퍼드대 교수 국제공동연구팀은 생체 신경섬유의 구조와 기능을 모사하는 신축성 저전력 유기 나노선 인공 신경을 이용해 복잡하고 부피가 큰 외부 컴퓨터 없이도 인공 신경만으로 쥐의 다리 움직임을 조절하는 데 성공했다. 

신축성 인공 신경은 근육의 움직임을 감지하는 고유수용기를 모사한 인장 센서, 생체 시냅스를 모사하는 유기 인공 시냅스, 다리 근육에 신호를 전달하기 위한 하이드로젤 전극으로 구성된다. 공동 연구팀은 생체 신경과 유사한 원리로 인공 시냅스에 전달되는 활동 전위의 발화 주파수에 따라 쥐 다리의 움직임과 근육의 수축 힘을 조절했다. 

왼쪽부터 이태우 서울대 교수, 제난 바오 스탠퍼드대 교수, 이영준 서울대 박사, 유신 리우 스탠퍼드대 박사, 서대교 서울대 박사과정 연구원. 서울대 제공.

인공 고유수용기는 제어를 위한 외부컴퓨터 없이 쥐의 다리 움직임을 감지해 인공 시냅스에 실시간으로 피드백을 줘 다리의 과도한 움직임으로 인해 근육이 손상되는 것을 방지했다. 연구팀은 신경이 마비된 쥐가 공을 차거나 런닝머신 위에서 걷고 뛰는 움직임을 구현, 인공 시냅스를 통해 쥐의 다리를 움직이도록 해 자발적인 움직임을 보이기 위한 인공 신경의 응용 가능성을 보여줬다.

이태우 교수는 “생물학적, 의학적 방식이 아니라 공학적 방식으로 신경 손상 극복을 위한 새로운 돌파구를 열 수 있는 실마리를 제공했다”며 “신경 손상 극복을 위한 공학적 접근 방식은 관련 질병 및 장애로 고통받고 있는 사람들에게 삶의 질을 향상시켜 줄 수 있는 새로운 길을 열 수 있을 것”이라고 말했다.

[김민수 기자 reborn@donga.com]