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부작용 없는 뇌 신호 측정 기술 나왔다

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부작용 없는 뇌 신호 측정 기술 나왔다

2021.03.23 12:00
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단이 개발한 다기능 그물 구조 탐침이다. 탐침에 삽입된 광도파로를 통해 빛으로 뇌세포를 자극할 수 있다(a). (b)는 광섬유에서 나오는 빛을 광도파로를 통해 뇌 안으로 입사시키고, 빛에 반응하는 뇌 신호를 측정하는 개념을 표현했다. IBS 제공.
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단이 개발한 다기능 그물 구조 탐침이다. 탐침에 삽입된 광도파로를 통해 빛으로 뇌세포를 자극할 수 있다(a). (b)는 광섬유에서 나오는 빛을 광도파로를 통해 뇌 안으로 입사시키고, 빛에 반응하는 뇌 신호를 측정하는 개념을 표현했다. IBS 제공.

뇌의 신호 전달 체계는 복잡하다. 알츠하이머나 자폐 등 뇌 질환 치료를 위해서는 신호 전달 체계를 이해해야 한다. 특정 뇌 신경을 자극할 때 발생하는 신호를 측정하고 신경 신호를 주고받는 연결고리 이해가 필요하다. 

 

지금까지 이같은 뇌 연구를 위해 금속이나 실리콘 소재의 탐침을 뇌에 이식했다. 그러나 딱딱한 탐침은 뇌 세포를 손상시키거나 주변에 면역반응을 유발하는 부작용이 있다. 

 

기초과학연구원(IBS)은 박홍규 분자 분광학 및 동력학 연구단 교수(고려대 물리학과) 연구팀이 부작용 없이 빛으로 뇌신경을 자극해 뇌 신호를 기록할 수 있는 장치를 개발했다고 23일 밝혔다. 

 

뇌에 삽입된 딱딱한 탐침은 뇌 세포를 손상시킬 뿐만 아니라 뇌에서 발생하는 신호를 측정하기 어렵다는 단점이 있다. 미세아교세포라는 면역세포가 탐침을 둘러싸기 때문에 탐침을 통해 뇌를 자극하려면 더 큰 자극이 필요하기 때문이다. 

 

연구팀은 기존 연구에서 미국 하버드대와 공동으로 뇌와 비슷한 굽힘 강도의 그물구조 탐침을 개발했다. 굽힘 강도란 어떤 재질을 휘게 하거나 구부러지게 하는 외력에 견디는 힘이다. 이 탐침은 유연한 그물망 형태 고분자를 원통형으로 말아서 만든 나노 구조체다. 당시 연구진은 이같은 탐침을 쥐의 뇌에 이식한 뒤 면역반응을 일으키지 않고 장기간 뇌신경 신호를 측정할 수 있다는 사실을 확인했다. 

 

이번 연구에서는 뇌 신호 측정뿐만 아니라 빛으로 뇌 신경을 인위적으로 자극할 수 있도록 성능을 개선했다. 기존 탐침 구조에 1cm 길이의 ‘광도파로’를 결합해 외부의 빛을 탐침 끝단까지 전달할 수 있도록 한 것이다. 광도파로란 광통신에 쓰이는 광섬유와 유사한 구조를 말한다. 

 

이렇게 만든 탐침을 살아있는 쥐의 뇌에 삽입해 빛으로 뇌 신경을 자극, 탐침의 전극을 이용해 자극된 뇌의 전기 신호를 측정하는 데 성공했다. 기존 탐침에 비해 1000배 이상 유연하며 뇌에 면역반응을 유발하지 않고 광도파로를 통해 직접 외부 빛을 전달해 뇌의 신호를 측정한 것이다. 

 

연구진은 인체 뇌세포에서 사용할 수 있도록 탐침 기술을 개선하는 후속연구를 진행할 계획이다. 박홍규 교수는 “복잡한 뇌의 신호 체계를 이해하고 알츠하이머나 파킨슨병과 같은 뇌 질환 치료에 응용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘나노 레터스’에 19일 온라인판으로 게재됐다. 

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