수술 한 번으로 1년 이상 사용한다…‘초장기 사용’ 신경 인터페이스

KAIST·한양대 공동 연구진
사용 기간 늘리면서도 동시에 여러 기능 가능한 전극 소재 개발

한국과학기술원(KAIST)과 한양대 공동 연구진이 개발한 '초장기 사용 가능' 신경 인터페이스. 탄소나노튜브와 고분자 광섬유를 이용해 1년 이상 사용 가능하면서도 신경 신호 수집, 신경전달물질 분석, 신경 조절을 동시에 할 수 있다./한국과학기술원

국내 연구진이 사람의 몸에서 신경 신호를 수집하고 인공 신호를 이용해 장애인의 재활을 돕는 신경 인터페이스의 성능을 크게 끌어 올렸다. 인체의 면역 반응에 영향을 적게 받아 오래 사용할 수 있으면서도 동시에 여러 기능이 가능한 전극 소재를 개발한 것이다.

박성준 한국과학기술원(KAIST) 바이오및뇌공학과 교수와 최창순 한양대 바이오메디컬공학과 교수가 이끄는 공동 연구진은 한 번의 수술로도 1년 이상 사용 가능한 다기능성 신경 인터페이스를 개발했다고 24일 밝혔다.

신경 인터페이스는 신경에 전극을 넣어 신호를 수집하는 장치를 말한다. 신경이 마비돼 몸을 쓰지 못하거나 앞을 보지 못하는 사람의 신경 신호를 읽어 일상생활을 되찾도록 도와주는 것이 신경 인터페이스 기술의 최종 목표다. 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)의 신경공학 기업 뉴럴링크가 지난 1월 인간의 뇌에 컴퓨터 칩을 이식하는 임상시험을 시작하면서 최근 큰 주목을 받고 있는 연구 분야다.

그러나 사람의 몸 안에 장치를 넣어야 하는 만큼 수술이 필요하고, 면역 반응으로 인한 부작용을 막기 위한 소재 기술이 필요하다. 현재까지 신경 신호 수집, 신경전달물질 종류 파악, 신경 조절 같은 다양한 기능을 할 수 있으면서도 오랜 시간 사용할 수 있는 장치를 만들기에는 아직 기술 수준이 낮다는 평가를 받는다. 탄소가 신경 인터페이스 전극 소재로 최근 주목받고 있으나 제조와 가공 과정이 복잡하고 금속 전극에 비해 기능이 다소 떨어진다는 한계는 여전히 남아 있다.

연구진은 탄소나노튜브 시트 전극과 고분자 광섬유를 결합해 이같은 문제를 해결했다. 탄소나노튜브 섬유가 한 방향으로 배열된 전극을 통해 신경 세포 활동을 기록하고, 광 섬유를 통해 정보를 전달하는 방식이다. 머리카락 굵기의 얇은 섬유로 만들어 부작용은 최소화하면서도 전기·광학·기계적으로 우수한 성능을 보였다.

연구진은 신경 인터페이스의 성능과 안정성을 평가하기 위해 생쥐 척추에 수술로 삽입했다. 그 결과 신경전달에 중요한 역할을 하는 화학물질인 도파민의 분비량을 정확하게 측정하는 것은 물론, 빛을 이용해 신경에 원하는 신호를 전달할 수 있는 것으로 나타났다.

신경 인터페이스의 성능이 얼마나 오래 유지되는지 확인하기 위해 1년 이상 장기간 관찰도 진행했다. 그 결과 실험 기간 내내 생쥐의 신경 신호 측정과 인위적인 신호 전달 성능 모두 유지되는 것으로 나타났다.

연구진은 신경 인터페이스를 삽입할 때 큰 수술이 필요한 만큼 한 번 수술로 오랜 기간 사용할 수 있다는 점에서 기술적 발전을 이뤄냈다고 분석했다.

박 교수는 “전기적 신경 활성신호와 더불어 화학적 신경전달물질 기록, 광학적 조절 기능을 차세대 신경 인터페이스를 개발했다”며 “앞으로 대형 동물에 적용해 뇌 과학 연구에 활용할 수 있게 하겠다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 지난달 29일 소개됐다.

참고자료

Advanced Mateirals, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202313625

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