생체 내 녹는 물질을 활용해 뇌 깊숙이 넓은 영역에서 신경세포 신호를 측정할 수 있는 길이 열렸다. 

  아주대 뇌과학교실 이은정(좌)·기계공학과 강대식(우) 교수팀은 뇌심부에 가능한 ‘시한성 운송체 기반 초 미세 그물망 구조의 뇌 탐침’을 개발했다고 밝혔다.

최근 뇌과학 분야에서 뇌에 전자 장치를 이식해 뇌의 병리학적 특성과 외부 환경과의 인지 과정을 이해하려는 연구가 큰 주목을 받고 있다.

이에 뇌 표면에 오랜 기간 장치를 이식해 뇌 신경세포 신호를 분석하는 수준까지 도달했지만, 뇌 깊숙이 심부의 뇌 활동 모니터링은 해결해야 할 숙제였다.

이를 위해 뇌 심부에 단단한 뇌 탐침을 이식하거나, 단단한 운송체를 이용해 상대적으로 유연한 뇌 탐침을 삽입하는 등의 많은 시도가 진행됐다. 하지만 장기간 이식 중 부드럽고 연약한 뇌세포와 단단한 뇌 탐침의 기계적 불일치나 과도한 면역 반응, 이식 후 운송체 철수 과정에서 유연한 뇌 탐침의 구겨짐 또는 흐트러짐 등의 문제가 발생했다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 온도의 변화에 따라 단단함(차가운 온도)과 유연함(따뜻한 온도)이 변화하는 시한성(일정 기간만 사용) 물질을 뇌 탐침에 코팅해 운송체로 활용했다.

이식 전에는 단단함을 유지하지만, 뇌 심부에 이식하는 과정에서 체온으로 온도가 따뜻해지면서 상태가 유연해지는 원리다. 이 물질은 단단함과 유연함이 약 1,078배 차이가 난다.

그 결과 뇌세포와 유연한 뇌 탐침 간 생기는 문제를 감소시키고, 운송체 역할을 한 코팅 물질은 따뜻한 온도에 녹아 사라져 운송체 철수 과정에서 발생하는 문제를 없앴다.  

강대식 교수는 “기존의 문제를 해결하고, 뇌 심부 넓은 영역의 신경세포 활동을 분석할 수 있는 기반을 마련했다”고 말했다.

이은정 교수는 “뇌심부의 신경세포 신호 측정을 통해 뇌기능 및 뇌질환에 관한 보다 많은 정보를 얻음으로써 뇌질환 치료에 한 발 더 나가길 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 7월 전자공학 분야 최상위 국제 학술지 ‘npj Flexible Electronics(IF 12.3)’에 ‘Transient Shuttle for a Widespread Neural Probe with Minimal Perturbation(광범위 심부 뇌 신경 신호 측정을 위한 시한성 운송체 기반 그물망 뇌 탐침 이식)’이란 제목으로 온라인 게재됐다. 이번 연구에는 아주대학교 기계공학과 노연욱 박사, 김형석·김은아·지경빈 대학원생이 제1저자로 참여했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 주관 개인기초연구지원사업 우수신진연구·중견연구·집단연구사업 기초연구실과 교육부 주관 학문후속세대사업 박사후 국내연수, 환경부 주관 환경보건 디지털 조사 기반 구축 기술개발사업 지원으로 수행됐다.

[그림 1] ▲ 시한성 운송체에 감싸진 그물망 구조의 뇌 탐침 개략도

[그림 2]▲ 뇌 탐침이 이식된 뇌 심부의 신경 세포 회복 및 면역 반응 감소 분석