뇌 표면 밀착하는 전자패치 개발…뇌파 실시간 모니터링 성공

IBS 뇌과학 이미징 연구단·KIST 바이오닉스연구센터 공동 연구진

IBS와 KIST 공동 연구진이 만든 형상변형 대뇌피질접착 신축성 전자패치 개요와 실제 쥐의 뇌에 전자패치를 부착한 모습./IBS

뇌질환 환자별로 다르게 나타나는 증상 정도를 뇌파로 진단하고 맞춤형 치료법을 제시하는 기술이 나왔다.

기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단의 손동희 연구위원(성균관대 전자전기공학부 교수) 연구팀과 신미경 연구위원(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 바이오닉스연구센터 김형민 책임연구원 연구팀과 공동으로 대뇌에 균일하게 밀착하고 견고히 부착되는 새로운 뇌 인터페이스 신축성 전자패치를 개발했다고 19일 밝혔다.

난치성 뇌질환은 전 세계에서 수천만 명의 환자가 앓고 있는 질환이다. 약물치료도 통하지 않는 난치병이다. 최근에는 난치성 뇌질환 치료를 위해 병변 조직을 자극해 신경병 증상을 완화하는 경두개 집속초음파 신경자극술이 등장했다.

경두개 집속초음파 신경자극술은 환자의 서로 다른 뇌신경 구조를 맞추지 못해 오히려 역효과가 나기도 했다. 이를 해결하기 위해 초음파 자극에 따른 전기적 뇌파의 변화를 감지해 환자에게 맞는 자극 조건을 바로바로 제공하는 ‘폐-루프 신경자극’ 방법도 나왔다.

초음파 기반의 폐-루프 신경치료체계를 만들기 위해서는 대뇌 표면에서 발생하는 전기신호를 실시간 피드백 정보로 활용하는 뇌파 계측 기술이 필요하다. 하지만 대뇌피질전도를 계측하는 기존 전극 소자는 딱딱하고 형태에 맞춰서 유연하게 변하지 않아 뇌 조직의 복잡한 곡면에 밀착할 수 없었다. 뇌의 미세한 움직임에 맞춰 고정할 수 없기 때문에 장기간 뇌파 계측도 어려웠다.

IBS와 KIST 공동 연구진이 만든 전자패치는 이런 한계를 극복했다. 연구진은 접착 하이드로젤과 형상변형 기판으로 구성된 이중층 패치와 신축성 있는 구불구불한 배선 구조를 통해 형상을 바꿀 수 있는 신축성 전자패치를 만들었다.

연구진이 개발한 전자패치를 대뇌 조직에 붙이자 접착 하이드로젤이 접촉면에서 체액을 흡수해 수 초 이내에 표면에 부착됐다. 뇌 표면에 견고하게 접합된 전자패치는 진동에도 안정적으로 고정됐고, 잡음 발생을 억제해 대뇌피질전도를 정확하게 측정했다. 연구진은 뇌전증이 유발된 쥐 모델에 이 전자패치를 부착해 실험한 결과, 자유롭게 움직이는 상태에서도 안정적인 뇌파 모니터링이 가능했다.

손동희 연구위원은 “초음파 자극에 반응하는 개별 환자의 뇌 신경 활동을 최초로 실시간 계측할 수 있게 돼 맞춤형 뇌질환 치료기술에 한 발짝 다가섰다”며 “향후 난치성 신경질환의 정밀 진단 및 개인맞춤형 치료를 가능케 하는 차세대 전자약 핵심기술로 자리할 것으로 기대된다”고 전했다.

참고 자료

Nature Electronics(2024), DOI : https://doi.org/10.1038/s41928-024-01240-x

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