▲ 나노 죽부인 기반 다기능 탐침의 구조 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단이 개발한 다기능 그물 구조 탐침의 모습 나노 죽부인 속에 삽입된 광도파로를 통해 빛으로 뇌세포를 자극할 수 있다(a). (b) 광섬유에서 나오는 빛을 광도파로를 통해 뇌 안으로 입사시키고, 빛에 반응하는 뇌 신호를 측정하는 개략도

▲ 다기능 탐침 성능 실험 연구진은 뇌와 비슷한 유연성을 가지는 하이드로겔에 다기능 그물 구조 탐침을 삽입해 성능을 실험했다(a). 파란색 빛이 광도파로를 통해 하이드로겔에 입사되고(b), 이 빛이 광도파로의 끝단까지 전달(c)됨을 확인할 수 있다.

▲ 3] 생체 내 다기능 그물 구조 탐침의 삽입 및 빛 자극 실험 (a)살아 있는 쥐의 뇌에 다기능의 그물 구조 탐침을 삽입한 후 광도파로 주위의 뇌신경을 빛으로 자극하는 모습 (b)빛으로 자극된 뇌 신경신호가 그물 구조 탐침의 전극으로 측정되고 있다. 밑에 보이는 파란색 신호가 광도파로에서 나오는 빛의 신호이고, 검정색 신호가 빛에 반응하는 뇌신경 신호이다. 검정색 신호 위의 별표 모양처럼 자극하는 빛과 반응하는 뇌신경 신호가 잘 일치한다. (c)빛에 반응하는 뇌신경 신호의 확대된 데이터

뇌는 복잡한 신호 전달 체계를 갖고 있다. 뇌 질환 치료의 실마리를 찾기 위해서는 이 체계에 대한 이해가 필수다. 즉 원하는 위치에서 뇌 신경을 자극하고 이 때 발생하는 신호를 정확히 측정함으로써 뇌 신경들이 신호를 주고받는 연결고리를 이해하는 것이 필요하다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 박홍규 교수(고려대학교 물리학과) 연구팀은 부작용 없이 빛으로 뇌 신경을 자극해 뇌 신호를 기록할 수 있는 나노장치를 개발했다. 이로써 복잡한 뇌의 비밀에 한 걸음 더 다가서고 관련 질환 치료에 기여할 것으로 기대된다.

지금까지 뇌 연구는 금속이나 실리콘 소재의 삽입형 탐침(probe)을 이식해 뇌신경을 자극하고, 그 반응을 측정해 왔다. 하지만 딱딱한 탐침이 뇌 세포를 손상시키거나 주변에 면역반응을 일으켜 신호 측정을 어렵게 만든다는 문제가 있었다. 탐침이 삽입되면 면역세포인 미세아교세포(microglia)가 탐침 주변을 둘러싸는데 이 경우 뇌를 자극하기 위해 더 큰 자극이 필요하기 때문이다.

박홍규 교수팀은 이전 연구에서 미국 하버드대와 공동으로 뇌와 비슷한 굽힘 강도의 그물구조 탐침을 개발했다(2018, Science). 이 탐침은 유연한 그물망 형태의 고분자를 원통형으로 만 나노 구조체로 죽부인과 그 모양이 유사하다.

당시 연구진은 이 나노 죽부인을 쥐 뇌에 이식했을 때 뇌 조직과 성질이 유사해 뇌신경에 면역반응을 일으키지 않고, 장기간 뇌신경의 신호를 측정할 수 있음을 확인했다.

이번 연구에서는 뇌 신호 측정은 물론 빛을 주입해 뇌 신경을 인위적으로 자극하도록 성능을 개선했다. 연구진은 기존 구조에 1㎝ 길이의 광도파로를 결합해 외부의 빛을 나노 죽부인의 끝단까지 전달할 수 있게 했다. 이 다기능 탐침을 살아 있는 쥐의 뇌에 삽입해 빛으로 뇌신경을 자극했고, 탐침의 전극을 이용해 자극된 뇌의 전기 신호 측정에도 성공했다. 신경 자극과 신경 신호 기록을 동시에 할 수 있는 삽입형 장치를 개발한 것이다.

최근 빛으로 뇌 신경을 자극 및 제어하는 광(光)유전학이 뇌 연구의 새로운 영역으로 각광받고 있다. 그러나 발광다이오드(LED) 등의 발광 장치와 신호를 측정하는 삽입형 탐침이 별도로 필요했다. 특히 LED 장치는 빛과 함께 열도 발생해 단백질로 구성된 뇌를 영구 손상시킬 수 있다는 문제점이 있었다.

연구진이 개발한 다기능 탐침은 이 두 장치를 하나로 간소화했다. 기존 탐침에 비해 1000배 이상 유연해뇌에 면역반응을 일으키지도 않는다. 또한 외부의 빛이 광도파로를 통해 간접적으로 전달돼 열로 인한 뇌 손상이 없다는 것도 장점이다.

연구진은 인체 뇌세포에서 사용할 수 있도록 탐침 기술을 개선하는 후속연구를 진행할 계획이다. 다기능 탐침의 인터페이스를 소형화하고, 실제 연구 및 의료 현장에서 응용이 가능하도록 광도파로의 길이를 증가시키려 한다.

박흥규 교수는 “광도파로가 결합된 그물 구조 탐침은 광유전학 신경 연구를 한층 발전시킬 획기적인 연구”라며 “복잡한 뇌의 신호 체계를 이해하고, 알츠하이머 및 파킨슨병과 같은 뇌 질환 치료에 응용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구결과는 3월 19일(한국시간) 화학 분야 학술지 나노 레터스(Nano Letters, IF 11.238) 온라인 판에 논문명 ‘All-Tissue-like Multifunctional Optoelectronic Mesh for Deep-Brain Modulation and Mapping’, Jung Min Lee, Dingchang Lin, Ha-Reem Kim, Young-Woo Pyo, Guosong Hong, Charles M. Lieber and Hong-Gyu Park 등으로 실렸다.