■ 뇌 이식 장치를 무선으로 충전과 제어할 수 있게 되다.
"손상된 뇌를 지속적이고 정상적으로 제어할 수 없을까?"
카이스트 전기전자공학부 연구팀과 연세대 의대 연구팀이 공동연구로 광유전학적 방법론을 이용해 '뇌 완전 이식형 무선 장치'를 개발했습니다.
광유전학은 빛을 이용해 목표로 하는 특정 신경세포만을 선택적으로 정교하게 제어할 수 있다는 점에서, 뇌 기능을 활성화히고 각종 뇌 질환을 치료할 해결책으로 뇌과학 및 신경과학 분야에서 주목받고 있습니다.
일반적으로 동물의 뇌에 광섬유를 이식한 뒤 레이저 등 외부 기기에 연결해 빛을 전달하는 방법이 쓰이고는 있는데, 유선 방식은 동물의 자유로운 움직임을 제한하기 때문에 장기적인 뇌 연구에 적용하는데에는 한계가 있습니다.
최근 배터리 없이 외부에서 무선으로 전력을 공급받아 작동하는 무선 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 주기적으로 배터리를 교체해야 하는 데다 방향과 거리에 제약이 있었습니다.
연구팀은 소형 배터리가 집적된 무선 수신 회로와 블루투스 칩이 결합한 무선 통신 회로를 결합, 자유롭게 움직이는 상태에서도 배터리를 무선으로 충전할 수 있는 장치를 개발했습니다.
뇌 조직의 손상을 막기위해 부드러우면서 생체 조직에 적합한 소재를 이용해 제작돼 무게는 1.4g에 불과하며, 스마트폰 앱을 통해 뇌에 이식된 장치를 정교하게 제어할 수 있습니다.
연구팀은 이 장치를 LED 탐침이 쥐의 뇌에 삽입된 상태에서 두피 안으로 완전히 이식하고 쥐가 자유롭게 움직이는 상태에서 배터리가 자동으로 무선 충전될 수 있음을 확인했습니다.
또, 중독성 약물인 코카인에 반복적으로 노출된 쥐의 특정 뇌 부위에 무선으로 빛을 전달해 코카인으로 인한 행동 민감화 발현을 억제함으로써 광유전학이 코카인에 의한 중독 행동 제어에 적용하기도 했습니다.
■ 뇌 이식 장치, 뇌 질환 · 정신 질환 치료에 활용 가능
이번 연구에 개발된 장치는 체내 이식 상태에서 무선 충전이 가능하므로 배터리 교체를 위한 추가적인 수술 필요 없이 장기간 사용이 가능하다는 특징과 장점이 있습니다.
이 기술은 뇌 이식용 장치뿐 아니라 인공 심박동기, 위 자극기 등 다양한 생체 이식용 장치에 범용적으로 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
이번 연구를 주도한 KAIST 정재웅 교수는 "이번 연구는 동물 실험이 필요한 뇌 기능 연구뿐만
아니라 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌 질환, 중독과 같은 정신 질환 치료에도 매우 유용하게 진행될 수 있을 것으로 기대한다."고 밝혔습니다.
연구팀은 이 기술을 궁극적으로 인체에 적용할 수 있도록 장치를 더욱 소형화하고 MRI 친화적인 디자인으로 발전시키는 확장 연구를 계획하고 있습니다.
이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 1월 22일 字에 게재됐습니다. (논문명 : Soft subdermal implant capable of wireless battery charging and programmable controls for applications in optogenetics)