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빛과 열로 신경세포 활성 조절

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빛과 열로 신경세포 활성 조절

2016.03.30 18:00

신경세포는 전기, 빛, 열 등의 자극에 의해 활성화 될 수 있다. - UC버클리 제공

신경세포는 전기, 빛, 열 등의 자극으로 활성을 조절할 수 있다. - 미 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 제공

 

국내 연구진이 기존 기술의 한계를 극복하고 간편하게 신경세포 활성을 조절할 수 있는 새로운 방식의 신경세포 자극 칩을 내놨다.

 

남윤기 KAIST 바이오및뇌공학과 교수팀은 박지호 KAIST 교수팀과 공동으로 빛과 열을 통해 신경세포의 활성을 억제할 수 있는 기술을 개발해 신경세포의 활성을 자유자재로 조절할 수 있는 광-전기 복합 자극 칩을 개발했다고 30일 밝혔다.

 

세포 사이의 정보를 교환하는 신경세포의 활성은 뇌 기능을 이해할 수 있는 핵심 요소다. 지금까지 전기 자극과 광유전학 등 신경세포의 활성을 조절하기 위한 다양한 기술이 개발됐다. 그러나 전기 자극의 경우 신경세포의 활성 촉진에는 용이한 반면 억제에는 효과가 적고, 광유전학 기술은 신경세포 활성을 자유자재로 조절할 수 있지만 유전자 조작이 까다로워 한계가 있었다.

 

앞서 연구팀은 2014년 신경세포가 광열 자극에 노출될 때 활성이 억제되는 현상을 발견했다. 특정 파장의 빛을 흡수해 열을 내는 금 나노막대에 빛을 쪼여 발생한 열로 쥐의 신경세포를 자극해 얻은 결과다. 나노막대는 가로 15㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m) 세로 60㎚ 크기다.

 

금 나노막대와 미세 전극 칩을 결합한 광-전기 복합 자극 칩 모식도. - 한국과학기술원(KAIST) 제공
금 나노막대와 미세 전극 칩을 결합한 광-전기 복합 자극 칩 모식도. - KAIST 제공

이 결과를 응용해 연구팀은 광-전기 복합 자극칩 플랫폼을 만들었다. 생체 친화적인 ‘폴리에틸렌글리콜(PEG)’ 중합체로 금 나노막대를 코팅한 뒤, 신경세포의 활성 여부를 전기 신호로 측정할 수 있는 신경세포 칩 표면에 결합한 것이다.

 

연구팀의 광-전기 복합 자극 칩은 신경세포의 활성을 촉진할 때는 기존의 전기 자극을 사용하고, 억제할 때는 광열 자극을 사용한다. 복잡한 유전자 조작 없이 빛으로 활성 억제가 가능한 셈이다. 연구팀은 이 칩에 쥐의 해마에서 추출한 신경세포를 배양해 그 효과를 확인했다.

 

남 교수는 “기존의 전기적 신경 시스템을 활용하는 동시에 광열 자극으로 신경세포의 활성을 자유롭게 억제할 수 있어 활용도가 높다”며 “해마세포뿐만 아니라 대뇌피질세포 등 일반적인 신경세포에 모두 적용이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

 

연구 결과는 나노과학 분야 학술지 ‘ACS 나노’ 9일자 온라인판에 게재됐다.

 

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