무선 장치로 뇌 신경회로 제어한다…뇌 이식 장치 개발

정재웅 KAIST 전기및전자공학부 교수팀은 김정훈 연세대 의과대학 교수팀 개발한 '뇌 완전 이식형 무선 광유전학 기기(왼쪽)'와 이 기기를 쥐의 뇌에 이식한 상태를 나타내는 개념도(가운데), X-ray 사진(오른쪽)/사진제공=KAIST

한국과학기술원(KAIST)은 정재웅 전기전자공학부 교수 연구팀이 스마트폰으로 뇌 신경회로를 제어할 수 있는 생체 이식 장치를 개발했다고 26일 밝혔다.

이 장치는 이식 후 생체 내에서 장기간에 걸쳐 배터리 교체 없이 스마트폰을 이용해 빛으로 뇌의 신경회로를 정교하게 조절할 수 있다. 앞으로 동물실험이 필요한 뇌 기능 연구를 비롯해 정신질환, 퇴행성 뇌질환 치료에도 활용할 수 있을 것으로 보인다.

최근에 개발된 무선 임플란트 기기들은 동물의 행동을 제약하지는 않았다. 다만 주기적인 배터리의 교체가 필요하거나 외부 장비로부터 무선으로 전력을 공급받아야 해 독립적이지 못하고 동작이 안정적이지 못하다는 한계가 있었다.

연구팀은 배터리의 무선 충전과 디바이스의 무선 제어를 가능하게 만드는 무선 회로를 개발해 마이크로 LED 기반의 탐침과 결합해 이 문제를 해결했다. 동물이 자유롭게 움직이는 상태에서도 배터리의 무선 충전이 가능하고, 스마트폰 앱을 통해 광자극을 무선으로 제어할 수 있는 무게 1.4g의 뇌 완전이식형 기기를 구현한 것이다.

연구팀은 이와 함께 생체 이식 후 기기에 의해 주변 조직 손상방지를 위해 기기를 매우 부드러운 생체적합성 소재로 감싸 생체조직과 같이 부드러운 형태가 되도록 개발했다.

연구팀은 "LED 탐침이 쥐의 뇌에 삽입된 상태에서 두피 안으로 완전히 이식하고 쥐가 자유롭게 움직이는 상태에서 배터리가 자동으로 무선 충전될 수 있음을 확인했다"고 설명했다.

이와 함께 연구팀은 중독성 약물인 코카인에 반복적으로 노출된 쥐의 특정 뇌 부위에 무선으로 빛을 전달했다. 코카인으로 인한 행동 민감화 발현을 억제함으로써 광유전학이 코카인에 의한 중독 행동 제어에 적용될 수 있음을 증명한 것이다.

정재웅 KAIST 교수는 "이 기술은 뇌 이식용 기기뿐 아니라 인공 심박동기, 위 자극기 등 다양한 생체 이식용 기기에 범용적으로 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.

연구팀은 이 기술을 인체에 적용할 수 있도록 기기를 더욱 소형화하고 MRI 친화적인 디자인으로 발전시키는 확장 연구를 계획하고 있다고 부연했다.

한편 연세대 의대 김정훈 교수팀이 공동으로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 지난 22일 자에 실렸다.

배성수 한경닷컴 기자 baebae@hankyung.com