두개골에 전자회로 3D 프린팅으로 그려…생체 통합 뉴럴 인터페이스 개발

왼쪽은 뇌에 삽입되는 액체 금속 기반의 유연한 신경전극과 두개골 표면을 따라 얇게 형성되는 전자회로를 설명하는 그림이다. 오른쪽은 두개골의 곡면을 따라 형성된 생체 통합적 통신 전자회로의 모습./IBS

일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)가 뇌신경과학 스타트업인 뉴럴링크(Neuralink)를 통해 인간의 뇌에 칩을 이식하는 실험을 진행하고 있다고 밝히면서 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스’에 대한 관심이 커지고 있다. 이런 가운데 국내 연구진이 두개골 표면에 전자회로를 3D 프린팅할 수 있는 기술을 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단 천진우 단장(연세대 특훈교수), 박장웅 연구위원(연세대 신소재공학과 교수), 세브란스병원 신경외과 장진우·정현호 교수 공동연구팀은 인공 신경전극을 뇌 안에 이식하고, 신경전극을 통해 검출된 뇌파의 신호를 처리하고 전송할 수 있는 전자회로를 두개골 표면에 직접 3D 프린팅하는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 뇌파를 통해 기계나 전자기기를 제어하는 기술이다. 영화 매트릭스에서 뇌에 전극을 연결해 가상 세계에 진입하거나 영화 아바타에서 나비족이 머리 끝의 신경 촉수를 연결해 다른 대상과 교감하는 장면처럼 주로 미래 기술로 영화에서 그려졌다. 하지만 최근 기술이 발달하면서 실제로 인간의 뇌와 기계를 연결하는 일이 가능해졌고, 머스크의 뉴럴링크를 비롯해 여러 기업과 연구기관이 연구를 진행 중이다.

뇌와 컴퓨터를 연결하기 위해서는 뇌 내 각 영역에서 발생하는 신호를 감지할 수 있는 삽입형 신경전극과 감지한 신경신호를 외부 기기로 보내고 통신할 수 있는 전자회로가 필요하다. 딱딱한 금속과 반도체 재료들로 이루어진 신경전극은 부드러운 뇌의 신경조직을 파고들어 뇌세포에 손상을 줄 수 있고, 이 손상 때문에 시간이 지나면 전극과 신경세포 사이에 신경신호가 전달되지 않기도 한다. 전자회로 역시 딱딱하기 때문에 이식받은 사람이 이질감과 불편함을 느끼게 된다. 이 때문에 뇌-컴퓨터 인터페이스는 뇌질환 말기 환자의 치료와 진단을 위한 최후의 수단으로만 썼다.

연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 기존의 고체 금속 기반과 달리 뇌 조직과 유사한 부드러운 소재인 액체 금속을 이용해 인공 신경전극을 제작했다. 신경세포와 비슷한 지름을 갖는 머리카락 10분의 1 수준의 액체 금속 인공 신경전극은 젤리처럼 말랑말랑하기 때문에 뇌조직 손상을 최소화한다고 연구진은 설명했다.

연구진은 3D 프린팅 기술을 통해 전자회로를 두개골의 곡면을 따라 얇게 형성하고 두피를 봉합함으로써 체내에 무선 전자회로를 제작하는 기술을 개발했다. 연구진은 실험을 통해 8개월 이상 문제 없이 신경신호를 검출하는 데 성공했다.

제1저자로 연구를 진행한 박영근 연구원은 “개발된 뉴럴 인터페이스를 통해 파킨슨병, 알츠하이머병 등 다양한 뇌질환 환자가 질 높은 일상생활을 영위할 수 있는 기술이 될 것”이라고 말했다.

참고자료

Nature Communications, DOI : https://www.nature.com/articles/s41467-024-45768-0

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