KAIST, 수면·단기 기억력 조절 '초소형 초음파 자극·뇌파 측정시스템' 개발

기사내용 요약
다양한 뇌질환 모델에 적용 가능, 초음파 뇌 자극 치료 유효성 실마리
전전두엽 실시간 자극…국제 학술지에 게재

[대전=뉴시스] A는 KAIST 공동연구팀이 개발한 MEMS 기반 초소형 초음파 소자고 B는 자유롭게 움직이는 쥐 머리 위에 접목된 초음파 소자와 뇌파 전극이다. C는 실시간 초음파 자극 및 뇌파 측정이 가능한 폐루프 시스템의 모식도. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 전기및전자공학부 이현주 교수, 한국뇌연구원 김정연 박사 공동연구팀이 소형 동물의 초음파 뇌 자극과 뇌파 측정을 동시에 할 수 있는 초소형 시스템을 개발했다고 9일 밝혔다.

수면 상태에 따라 실시간으로 초음파 뇌 자극이 가능한 이 기술을 활용, 연구팀은 비급속 안구운동(NREM·Non-rapid-eye Movement) 수면 시 전전두엽(PFC)을 실시간으로 자극해 수면 및 단기 기억력 조절이 가능하다는 것을 확인했다.

이번 연구에서 개발된 초소형 초음파 자극 및 뇌파 측정 시스템은 기존 마취가 필요한 시스템과는 달리 자유롭게 행동하는 쥐에 장기간 자극과 동시에 측정을 할 수 있다.

초음파 자극 소자는 미세전자기계시스템(MEMS)의 실리콘 공정을 활용, 매우 정밀하고 초소형으로 제작할 수 있으며 대량생산이 가능하다.

특히 신경 자극 기술과는 달리 초음파는 수술없이 뇌 심부의 국소적인 작은 영역까지도 자극할 수 있어 저강도 집속 초음파 치료기술이 주목받고 있다.

기존 초음파 자극 기술은 부피가 커 움직이는 생쥐에 사용이 불가능하거나 작동할 때 생기는 잡음 신호로 동시 전기 생리 신호 측정이 어렵고 생쥐 같은 작은 동물에 장기간으로 초음파 자극을 주면서 생체 내 반응을 실시간으로 측정하는 시스템은 아직 없다.

이현주 교수팀은 이번 연구에서 뇌파 신호 측정 및 실시간 수면 분석 기술을 접목해 뇌의 현 상태에 따라 자극을 주는 맞춤형 폐루프 자극 시스템을 개발했다.

폐루프 자극 알고리즘은 6초 단위로 수면 단계를 실시간으로 분석해 비 급속 안구 운동(NREM) 수면 단계일 때 초음파 자극을 전달한다. 이 시스템은 잡음 신호 없이 자극과 측정이 동시에 가능하다.

NREM 상태 시 10시간 동안 수면 박탈 쥐의 전전두엽을 자극한 결과, 단기 공간 기억력이 보호되고 급속 안구 운동(REM) 수면량이 증가함을 보였다.

연구팀은 현재 이 기술을 고도화해 뇌 단일 영역의 매우 작은 부위를 자극할 수 있는 후속 시스템을 개발 중이다.

국소 부위 자극을 통해 향후 정밀한 수면 단계 조절이 가능하게 되면 수술 없이 비침습적으로 수면 질환, 알츠하이머병, 파킨슨병 등의 뇌 질환 치료의 길이 열릴 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 지난달 19일 게재됐으며 출판사 와일리의 리서치 헤드라인 논문으로 선정돼 이현주 교수와 김정연 박사 인터뷰가 어드밴스드 사이언스 뉴스(Advanced Science News)에 지난 1일 실렸다.(논문명: General-purpose ultrasound neuromodulation system for chronic, closed-loop preclinical studies in freely behaving rodents)

이현주 교수는 "초음파는 인체 내부 깊숙이 전달되며 펴지지 않고 집중 조사가 가능해 치료를 위한 비수술적 인체 조사 기술로 매우 유용하지만 전임상 자극 시스템의 부재로 현재 초음파 자극의 효능평가 연구가 부족한 상황"이라며 "이번에 개발한 시스템을 많은 뇌과학 연구팀들이 활용해 초음파의 다양한 치료 효과를 밝혀낼 수 있길 바란다"고 말했다.

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