조일주, 최낙원 한국과학기술연구원 박사팀이 3차원 인공 뇌 회로를 정밀하게 측정할 수 있는 다기능 신경신호 측정 시스템을 개발했다. 제 1저자인 신효근 연구원이 개발한 3차원 다기능 전극 칩을 살펴보고 있다. (한국과학기술연구원 제공) 2021.01.28 /뉴스1

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(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 국내 연구진이 2017년 입체형 인공 뇌 회로 제작에 성공한 데 이어, 이를 정밀하게 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 이러한 측정을 바탕으로 뇌의 비밀을 풀어낼, '뇌 지도'를 만들어 낼 수 있다.

한국과학기술연구원(KIST)은 조일주, 최낙원 뇌과학연구소 박사팀이 입체 형태의 인공 뇌 회로를 망가뜨리지 않고 정밀하게 자극하고 세포 단위의 신경 신호를 내부의 여러 곳에서 실시간으로 측정할 수 있는 초소형 분석 시스템을 개발했다고 28알 밝혔다.

뇌는 딱딱하고 두꺼운 두개골로 보호받고 있다. 과거에는 이러한 특성 때문에 뇌 연구 방법이 저해상도 영상이나 뇌파 측정에 의존해야했다. 문제는 뇌의 발달단계를 비롯한 다양한 현상을 관측하기 어려운 것.

최근에는 쥐에서 추출된 신경세포나 인간 유래 유도만능줄기세포를 이용해 인공 뇌 회로를 제작해 관찰하는 접근법이 시도되고 있다. 기존 인공뇌는 주로 평면 형태로 제작됐는데, 2017년 이번 연구에 참여한 최낙원 박사가 뇌의 해마를 모사한 입체형 인공 뇌 회로를 구현했다.

이번 연구에서는 인공 뇌 회로의 신경 신호 측정기술을 개발했다.

연구진이 개발한 3차원 다기능 신경 신호 측정 시스템은 머리카락 절반 정도인 50㎛(마이크로미터) 두께의 실리콘 탐침에 63개의 침 형태의 전극을 모은 형태로, 인공 뇌에 꽂아 뇌 신경망 회로 내부 여러 곳의 신호를 동시에 측정할 수 있다.

3D 인공 뇌 회로와 자극 및 신경 신호 측정을 위한 3차원 다기능 전극 (한국과학기술연구원 제공) 2021.01.28 /뉴스1

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탐침 내부에는 광섬유와 약물 전달 채널이 집적돼 있어 뇌 세포를 빛이나 약물로 정밀하게 자극할 수 있다. 또한 자극에 반응하는 인공 뇌 회로의 기능 변화를 측정함으로써, 인공 뇌를 이용한 뇌 기능 및 질환 연구를 가능하게 했다.

연구팀은 개발된 시스템을 이용해 인공 뇌의 뇌세포를 빛으로 자극하고 이에 반응해 전파되는 신호를 여러 곳에서 동시에 측정해 뇌 신호의 전파속도가 뇌 세포 부위별로 다름을 밝혀내었다. 복잡한 인공 뇌 회로망 내에서 뇌 회로가 어떻게 기능적으로 연결되어 있는지를 보여주는 '3차원 기능적 뇌 지도'를 작성할 수 있는 가능성도 확인했다.

최낙원 박사는 "개발한 시스템을 통해서 다양한 뇌 발달 장애와 뇌 질환의 원인 및 치료 방법 등을 연구할 수 있게 됐다"고 말했다.

공동 연구책임자인 조일주 박사는 "기존에는 불가능했던 3차원의 인공 뇌 기능 측정을 가능하게 하는 시스템 개발로 다양한 뇌 질환 치료제 개발 기간을 획기적으로 단축할 수 있는 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다"라고 밝혔다.

연구진은 인공 뇌 회로를 이용한 환자 맞춤형 약물 효능 평가 시스템에 적용해, 인간의 세포로 구현된 뇌 회로를 이용해 직접 평가 가능하다고 기대했다. 이 경우 기존 임상에서만 검증이 가능했던 약물 효능의 검증이 가능해지므로, 뇌 질환 치료제 개발에 걸리는 시간을 상당히 단축할 수 있을 전망이다.

앞으로 약물 검증 플랫폼에 사용되기 위해서는 한 번에 여러 테스트를 동시에 수행할 수 있어야 한다. 이를 위해, 연구진은 후속 과제로 다량의 인공 뇌 회로 동시 배양 및 신경 신호 동시 측정 시스템을 개발 중이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요 사업과 한국연구재단의 미래 뇌 융합기술개발사업으로 수행됐으며, 이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 최신 호에 게재됐다.

이번 연구에는 신효근 학생연구원이 제1저자로 참여했다.

KIST 연구진이 제작한 3차원 인공 뇌 회로 측정용 다기능 3D 전극 (한국과학기술연구원) 2021.01.28/뉴스1

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seungjun241@news1.kr

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