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뇌 신호 읽고 제어하는 머리카락 두께 칩 개발

조일주 KIST 박사팀 개발 '브레인칩', 빛·약물로 뇌기능 조절
40㎛ 두께 실리콘 구조체에 약물이동 채널, 광자극, 전극 등 포함
국내 연구진이 머리카락 두께의 칩을 생쥐의 뇌에 삽입해 뇌 기능을 제어하는 데 성공했다.
 
한국연구재단(이사장 노정혜)은 조일주 KIST 박사팀이 뇌에서 발생하는 신경신호를 동시에 측정하고, 약물이나 빛을 전달하는 브레인칩을 개발했다고 22일 밝혔다.
 
뇌 질환을 치료하려면 뇌세포 하나에서 발생하는 신호를 측정해야 한다. 뇌에 칩을 삽입하거나 비침습적 영상기술을 이용해 신호를 얻을 수 있다. 
 
기존 브레인칩은 뇌의 여러 부위에서 몸을 제어하기 위한 신호나 의도 등을 읽을 수 있지만, 자극 기능이 없어 뇌의 기능을 제어할 수 없다는 한계가 있다. 

브레인칩을 구성하는 다기능 탐침 어레이. 왼쪽은 탐침 어레이를 확대한 사진. 오른쪽은 광자극, 약물자극, 전기자극, 신호 측정 기능이 집적된 초소형 브레인칩. <사진=KIST 제공>브레인칩을 구성하는 다기능 탐침 어레이. 왼쪽은 탐침 어레이를 확대한 사진. 오른쪽은 광자극, 약물자극, 전기자극, 신호 측정 기능이 집적된 초소형 브레인칩. <사진=KIST 제공>

KIST 연구팀이 개발한 시스템은 뇌의 신호를 측정하는 것뿐만 아니라, 자극을 줄 수도 있다. 연구팀은 머리카락 굵기인 40㎛ 두께 브레인칩을 만들어 살아있는 생쥐의 뇌에 삽입했다. 브레인칩은 기억을 담당한다고 알려진 해마 부위를 빛과 약물로 자극했다. 
 
실험 결과, 이 자극을 통해 해당 영역의 뇌 회로가 강화되거나 약화될 수 있음이 확인됐다. 빛이나 약물 자극으로 기억을 담당하는 신경회로를 제어할 수 있다는 의미다. 연구팀은 해마의 여러 부위에서 동시다발적으로 발생하는 신경신호를 측정하는 데도 성공했다. 
 
삽입한 브레인칩의 크기도 주목할 만하다. 40㎛ 두께 실리콘 구조체에 약물이동 채널과 광자극을 위한 광도파로(optical waveguide), 전극, 뇌신호 측정전극이 모두 들어갔다. 기존 탐침보다 6~8배 가까이 축소된 탐침 4개와 전극 32개는 신경세포 하나에서 신호를 읽고 약물이나 빛을 수 초 안에 전달할 수 있다.
 
조일주 박사는 "기존 뇌 회로 연구 방법의 한계를 극복하고 뇌 기능의 정밀 조절법을 제시할 것으로 기대된다"며 "앞으로 마취 상태가 아닌 깨어 있는 생쥐를 대상으로 행동 연구를 추진할 계획"이라고 말했다. 
 
연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 8월 22일 자에 실렸다.

다기능 브레인칩 개념도. 4개의 탐침에서 광자극과 약물전달 등으로 자극을 하고 신경신호를 측정한다. <그림=KIST 제공>다기능 브레인칩 개념도. 4개의 탐침에서 광자극과 약물전달 등으로 자극을 하고 신경신호를 측정한다. <그림=KIST 제공>
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