바이오산업동향

무선 충전 가능한 부드러운 뇌 이식 장치 개발
의학약학 KAIST (2021-01-26)
- 생체 이식 상태로 배터리 교체 없이 장기간에 걸쳐 빛으로 뇌 신경회로 제어 가능
- 뇌 뿐만 아니라 인공 심박기, 위 자극기 등에도 적용될 것으로 기대

국내 연구진이 무선 충전 가능한 뇌 이식 장치를 개발했다. 이 장치는 이식 후 생체 내에서 장기간에 걸쳐 배터리 교체 없이 스마트폰을 이용해  빛으로 뇌의 신경회로를 정교하게 조절할 수 있다.

KAIST는 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀이 연세대 의대 김정훈 교수팀과 공동 연구를 통해 뇌 완전 이식형 무선 광유전학 기기를 개발했다고 26일 밝혔다.

이번 개발 기술은 장기간에 걸친 동물 실험이 필요한 뇌 기능 연구뿐 아니라 향후 인체에 적용돼 중독과 같은 정신질환 및 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌 질환 치료에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST 전기및전자공학부 김충연 박사과정, 연세대 의대 구민정 박사과정 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 1월 22일 字에 게재됐다. (논문명 : Soft subdermal implant capable of wireless battery charging and programmable controls for applications in optogenetics)

광유전학은 빛을 이용해 목표로 하는 특정 신경세포만을 선택적으로 정교하게 제어할 수 있다는 점에서, 뇌 기능을 밝히고 각종 뇌 질환을 치료할 해결책으로 뇌과학 및 신경과학 분야에서 주목받고 있다.

기존의 광유전학은 외부기기와 연결된 광섬유를 통해 신경세포에 빛을 전달하는 방법을 사용하고 있는데, 이러한 유선 방식은 동물의 자유로운 움직임을 크게 제한한다는 점에서 복잡한 동물 실험을 구현하는데 제약이 있다. 반면 최근에 개발된 무선 임플란트 기기들은 동물의 행동을 제약하지는 않지만, 주기적인 배터리의 교체가 필요하거나 외부 장비로부터 무선으로 전력을 공급받아야 하므로 독립적이지 못하고 동작이 안정적이지 못하다는 한계가 있다.

연구팀은 배터리의 무선 충전과 디바이스의 무선 제어를 가능하게 만드는 무선 회로를 개발해 마이크로 LED 기반의 탐침과 결합했다. 이를 통해 동물이 자유롭게 움직이는 상태에서도 배터리의 무선 충전이 가능하고, 스마트폰 앱을 통해 광자극을 무선으로 제어할 수 있는 무게 1.4그램(g)의 뇌 완전이식형 기기를 구현했다. 나아가 생체 이식 후 기기에 의해 주변의 조직이 손상되는 것을 방지하고자, 기기를 매우 부드러운 생체적합성 소재로 감싸 생체조직과 같이 부드러운 형태가 되도록 개발했다.

이번 연구를 주도한 KAIST 정재웅 교수는 "개발된 장치는 체내 이식 상태에서 무선 충전이 가능하므로 배터리 교체를 위한 추가적인 수술 필요 없이 장기간 사용이 가능하다ˮ며 "이 기술은 뇌 이식용 기기뿐 아니라 인공 심박동기, 위 자극기 등 다양한 생체 이식용 기기에 범용적으로 적용될 수 있을 것이다ˮ고 말했다.

연구팀은 이 기기를 LED 탐침이 쥐의 뇌에 삽입된 상태에서 두피 안으로 완전히 이식하고 쥐가 자유롭게 움직이는 상태에서 배터리가 자동으로 무선 충전될 수 있음을 확인했다. 또한 연구팀은 중독성 약물인 코카인에 반복적으로 노출된 쥐의 특정 뇌 부위에 무선으로 빛을 전달해 코카인으로 인한 행동 민감화 발현을 억제함으로써 광유전학이 코카인에 의한 중독 행동 제어에 적용될 수 있음을 보였다.

아울러 공동연구자 연세대 의대 김정훈 교수는 "자유롭게 움직이는 동물을 바라보며, 단지 스마트폰 앱을 구동해 뇌에 빛을 전달하고, 그로 인해 동물의 특정 행동을 제어할 수 있다는 사실이 매우 흥미롭고, 많은 상상력을 자극한다ˮ라고 말했다.

연구팀은 이 기술을 궁극적으로 인체에 적용할 수 있도록 기기를 더욱 소형화하고 MRI 친화적인 디자인으로 발전시키는 확장 연구를 계획하고 있다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 지원사업과 신진연구자지원사업, KAIST 글로벌 특이점 연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
 

1. 연구 내용

광유전학(optogenetics)은 빛을 이용하여 목표로 하는 특정 신경세포만을 정교하고 선택적으로 제어할 수 있다는 점에서, 뇌과학 및 신경과학 분야에서 뇌 기능을 밝히고 각종 뇌 질환을 치료할 해결책으로 주목받고 있다.

기존의 광유전학은 동물 뇌에 광섬유를 이식한 후 레이저와 같은 외부기기에 연결하여 빛을 뇌의 신경세포에 전달하는 방법을 사용하였다. 하지만 이렇게 외부 선의 연결을 필요로 하는 방식은 동물의 자유로운 행동을 물리적으로 크게 제한함으로써 자연스러운 환경에서의 장기적인 뇌 기능 연구를 어렵게 한다. 최근에 개발된 무선 뉴럴 디바이스(device)들은 배터리로부터 전력을 공급받거나, 배터리 없이 외부에서 무선으로 전력을 공급받음으로써 기존의 유선 방식의 단점을 크게 극복하였다. 하지만, 배터리 기반의 무선 디바이스들은 주기적인 배터리의 교체를 필요로 하며, 배터리를 사용하지 않는 무선 디바이스들은 전력 전송을 위한 특수한 외부 장비를 항상 필요로 하고 방향과 거리에 제약이 있어 동작이 안정적이지 못하다.

본 연구에서는 기존 뇌 이식용 기기들의 한계를 극복하고자, 무선 충전 가능한 완전이식형 뉴럴 디바이스를 제작하였다. 이 디바이스는 소형 배터리가 집적된 무선 전력 수신 회로와 블루투스 칩이 결합된 무선 통신 회로로 구성되어, 동물이 자유롭게 움직이는 상태에서도 배터리의 무선 충전이 가능할 뿐 아니라 간단한 스마트폰 앱 조작을 통해 이식된 디바이스를 정교하게 제어할 수 있도록 디자인되었다. 이를 통해 생체 이식 후 배터리 교환을 위한 추가 수술의 필요를 없애고 디바이스의 지속적 사용을 가능하게 만듦으로써, 장기간에 걸친 생체 내 동작이 가능하도록 구현하였다.

금속, 플라스틱 등 딱딱한 소재로 제작된 이식용 디바이스는 생체조직과 디바이스 사이의 기계적 간극으로 인해 생체조직 손상 및 염증 등의 부작용을 야기할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 부드러운 생체적합성 소재를 활용한 디바이스 패키징 기술을 개발하고, 임플랜트가 생체조직과 같이 부드러운 형태가 되도록 제작하여 그 효용성을 생체 실험을 통해 증명하였다.

연구진은 개발된 뇌 이식용 디바이스의 생체 내 기능성 및 뇌 연구 활용 가능성을 동물 실험을 통해 검증하였다. LED　탐침이 쥐의 뇌에 삽입된 상태에서, 두피 안으로 완전히 이식된 디바이스의 배터리가 반복적으로 무선 충전됨을 확인함으로써 디바이스의 생체 내 장기적인 사용이 가능함을 확인하였다. 또한, 무선 디바이스를 사용하여 코카인 중독 행동 제어 실험을 진행한 결과, 쥐의 뇌의 특정 부위에 빛을 전달하여 코카인에 의한 행동 민감화를 억제하는데 성공함으로써, 광유전학을 활용한 중독 행동 제어 가능성을 보여주었다.

본 연구진이 개발한 뇌 이식용 디바이스는 완전이식 상태로 무선 충전이 가능하기 때문에 생체 내에서 장기간에 걸쳐 빛으로 뇌의 신경회로를 정교하게 조절할 수 있으며, 따라서 본 기술은 뇌 기능 연구 뿐 아니라, 궁극적으로 중독과 같은 정신질환 및 퇴행성 뇌 질환의 치료에도 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
 



그림 1. 개발된 뇌 이식용 무선 디바이스. (좌) 무선 디바이스의 사진. LED 탐침이 쥐의 뇌에 삽입된 상태에서, 쥐의 두피 안에 완전히 이식된 디바이스의 개념도 (중) 및 X-ray 사진 (우).

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그림 2. 무선 제어용 스마트폰 앱. (좌) 연결 가능한 디바이스 선택 화면. (중) 배터리 잔량 확인 및 마이크로 LED 제어 화면. (우) 스마트폰 앱을 이용한 완전이식된 디바이스의 마이크로 LED 제어.

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그림 3. 뇌 이식용 무선 디바이스를 이용한 코카인 중독행동 제어 실험. (좌) 쥐의 특정 뇌 부위에 바이러스를 통한 유전자 전달로 빛에 반응하는 이온 채널 발현 유도. (중) 두피 안에 무선 디바이스가 이식된 쥐의 모습. (우) 코카인에 의해 유도된 행동민감화 반응을 무선 스마트폰을 이용한 빛 자극 전달로 억제.

출처: [BRIC Bio통신원] 무선 충전 가능한 부드러운 뇌 이식 장치 개발 ( https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=327021 )

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