한번 삽입으로 1년 이상 작동 '뇌-기계 인터페이스' 개발

KAIST와 한양대 공동 연구팀이 1년 이상 사용할 수 있는 다기능성 신경 인터페이스를 개발했다. 뇌 관련 전자 디바이스를 나타낸 이미지. 게티이미지뱅크

국내 연구진이 1년 이상 사용할 수 있는 다기능성 신경 인터페이스를 개발했다. 수술을 통해 삽입해야 하는 신경 인터페이스에 적용되면 한 번의 수술로도 장기간 사용이 가능해 사용자의 편의성이 증대될 것으로 기대된다.

KAIST는 박성준 바이오및뇌공학과 교수와 최창순 한양대 바이오메디컬공학과 교수 공동 연구팀이 열 인발공정(TDP)과 탄소나노튜브 시트를 병합해 장기간 사용 가능한 다기능성 섬유형 신경 인터페이스를 개발했다고 24일 밝혔다. 

그간 뇌신경 시스템 탐구를 위한 삽입형 인터페이스 연구는 생체 시스템의 면역 반응을 줄이는 데 초점이 맞춰졌다. 생체 친화적이며 부드러운 물질을 사용하면서도 다양한 기능을 병합하는 방법 등이 모색됐다.

하지만 기존의 재료와 제작 방법으로는 다양한 기능을 구현할 수 있으면서도 장기간 사용 가능한 디바이스를 만들기 어려웠다. 특히 탄소 기반 전극의 경우 제조 및 병합 과정이 복잡하고 금속 전극에 비해 기능적 수행 능력이 떨어진다는 문제점이 있었다.

연구팀은 탄소나노튜브 시트 전극과 고분자 광섬유를 병합했다. 먼저 탄소나노튜브 섬유가 한 방향으로 배열된 탄소나노튜브 시트 전극을 활용해 신경세포 활동을 효과적으로 기록했다. 이어 광 전달을 담당하는 고분자 광섬유에 이를 감아 머리카락 크기의 다기능 섬유를 제작했다. 이렇게 제작된 섬유는 우수한 전기적, 광학적, 기계적 성질을 보였다.

연구팀이 개발한 뇌-기계 인터페이스는 쥐 실험을 통해 정상적으로 작동하는 것이 확인됐다. 전기적 신경 활성신호, 화학적 신경전달물질(도파민)을 원활하게 측정했다. 광유전학적 조절을 통해 행동학적 산출을 이끌어내는 것으로 확인됐다. 1년 이상 광학적으로 발화된 신경 신호와 자발적으로 발화된 신경 신호를 측정하는 데 성공하면서 초장기간 사용 가능성도 확인됐다.

연구를 이끈 박 교수는 “전기적 신경 활성신호와 더불어 화학적 신경전달물질 기록 및 광학적 조절 기능을 갖춘 초장시간 사용가능한 차세대 신경 인터페이스를 개발한 것”이라고 설명했다.

이어 “향후 뇌 질환의 세부적인 메커니즘 파악과 뇌 전체정보 기록 및 뇌 조절 분야에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스’에 지난달 29일 게재됐다.

장기간 사용 가능한 섬유형 신경 인터페이스의 작동 원리를 나타낸 모식도. KAIST 제공

[박정연 기자 hesse@donga.com]