[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 장경인 교수 연구팀이 대구경북과학기술원(DGIST), 한국뇌연구원(KBRI), 한국생명공학연구원(KRIBB) 연구진과 공동으로 뇌 속 신경전달물질 변화를 무선으로 추적할 수 있는 이식형 신경칩을 개발했다고 27일 밝혔다.

연구팀이 개발한 신경칩은 신경전달물질인 아세틸콜린을 감지하는 센서와 빛 자극용 초소형 발광다이오드(LED), 소형 무선 계측 회로를 하나로 결합한 형태다. 아세틸콜린은 신경세포 사이 정보 전달을 담당하며 기억과 학습에 관여하는 물질로, 알츠하이머병 치료제인 도네페질은 아세틸콜린을 분해하는 효소를 억제해 이 물질이 더 오래 작용하도록 돕는다.

연구팀은 이 신경칩을 미니돼지의 전전두피질에 삽입하고 도네페질을 투여한 뒤 아세틸콜린 신호 변화를 무선으로 측정했다. 그 결과 약물 투여 후 신호가 늘었다가 서서히 회복되는 과정이 관찰됐다. 전전두피질은 판단과 주의, 기억 등 인지 기능에 관여하는 뇌 영역이다.

센서의 감지층은 미세한 구멍이 많은 키토산에 은과 백금으로 만든 나노선을 결합해 제작했다. 다공성 구조는 아세틸콜린을 감지하는 효소가 넓게 붙도록 하고, 나노선은 효소 반응으로 생긴 물질을 전기 신호로 바꾼다. 연구팀은 또 뇌에 삽입하는 탐침 양쪽에 효소가 있는 전극과 없는 전극을 각각 배치해 두 신호를 비교하는 방식으로 다른 물질에 의한 간섭을 줄였다. 측정된 신호는 소형 회로를 거쳐 블루투스로 외부 기기에 전달된다.

이 신경칩은 감지 기능과 함께 빛으로 신경세포를 자극하는 기능도 갖췄다. 연구팀이 따로 진행한 생쥐 실험에서는 칩에 내장된 LED로 빛 자극을 줬을 때 아세틸콜린 신호가 늘어나는 것이 확인됐다. 동물실험에서 한국생명공학연구원은 미니돼지 공급과 수술을, 한국뇌연구원은 생쥐 수술과 실험을 각각 지원했다.

연구팀은 이번 기술이 뇌 질환 치료제가 뇌에서 어떻게 작용하는지 살펴보는 연구나, 뇌 반응을 읽어 자극을 조절하는 폐회로형 신경 인터페이스 연구에 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 다만 이번 연구는 동물 뇌에서 신경전달물질 변화를 측정한 것으로, 알츠하이머병 치료 효과나 기억력 개선을 확인한 것은 아니다. 사람에게 적용하려면 장기간 삽입했을 때의 안전성과 측정 성능의 안정성 등을 추가로 검증해야 한다.

장경인 교수는 "이번 연구는 뇌 속 변화를 읽고, 그 반응에 맞춰 자극을 조절하는 기술로 나아갈 기반을 마련했다"며 "앞으로 치료제가 뇌에서 어떻게 작용하는지 살피고, 뇌 상태에 맞는 자극 방법을 찾는 데 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구에는 DGIST 소속 손지은·오세혁·하정대 연구자가 공동 제1저자로, 장경인 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 셀 프레스(Cell Press)가 발행하는 국제학술지 '디바이스(Device)'에 지난 10월 14일 게재됐다. 연구팀은 교원창업기업인 엔사이드를 통해 관련 기술의 사업화를 추진할 계획이다.

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