- 배터리 없는 무선 뇌신경 기록기 개발로, 파킨슨병이나 알츠하이머 같은 난치성 뇌질환 치료 길 열려

- 연구결과는 바이오메디컬 분야 최고 학술지인 ‘Nature Biomedical Engineering’에 게재

[(왼쪽부터) DGIST 장경인 교수팀(장경인, 오세혁, 제갈장환), KRIBB 이영전 책임연구원팀(이영전, 원진영)]

DGIST(총장 이건우) 로봇및기계전자공학과 장경인 교수팀이 한국생명공학연구원(원장 김장성) 이영전 책임연구원팀과 공동으로 ‘완전 매립형 무선 뇌신경 신호 기록기’ 개발에 성공했다. 이번에 개발된 기술은 배터리 없이 무선 전력 전송과 통신을 통해 영장류의 본능적 행동에서 발생하는 뇌신경 신호를 실시간으로 기록할 수 있다. 연구팀은 이 무선 뇌신경 기록기를 비인간 영장류인 실험용 원숭이의 뇌에 이식하여 회복시킨 후, 한 달 동안 자유롭게 움직이는 상태에서 사료나 간식을 섭취하는 행동 중 뇌신경 신호를 성공적으로 측정했다.

기존 뇌신경 신호 기록기는 유선 연결로 인해 실험 공간에 제약이 있거나, 배터리로 작동하여 방전 시 배터리 교체를 위한 재수술이 필요한 한계가 있었다. 그러나 장경인 교수팀은 배터리나 유선 연결 없이 무선 전력 전송과 통신을 통해 비인간 영장류의 자연스러운 행동을 방해하지 않고 뇌신경 신호를 은밀하게 측정할 수 있는 세계 최초의 무선 뇌신경 신호 기록기를 개발했다.

이번에 개발된 뇌신경 기록기는 영장류의 본능적 행동 연구를 위한 뇌공학 플랫폼 기술의 일환으로, 인간과 유사한 비인간 영장류의 뇌와 행동 간 관계를 분석하는 데 활용될 수 있다. 특히, 뇌 심부 영역의 신경 신호를 정밀하게 측정할 수 있는 3차원 다공성 전극과 유연한 신경 탐침, 생분해성 삽입 셔틀을 통해 안전하게 뇌에 이식할 수 있는 기술을 포함하고 있어, 뇌신경 회로 연구에 크게 기여할 것으로 기대된다.

또한, 이 기술은 미국의 뉴럴링크와 스위스 로잔연방공대 등에 이어 한국에서 독자적으로 개발된 신기술로 주목받고 있다. 뉴럴링크가 영장류가 생각만으로 게임을 하게 하고, 로잔연방공대가 하반신 마비 영장류를 걷게 한 것처럼, 비인간 영장류 실험에서 뇌신경 기록과 제어가 가능하다는 점에서 의미가 크다.

한 번의 뇌신경 전극 삽입 수술로 지속적인 신경 신호 기록이 가능하도록 무선 전력 전송과 통신 기술이 적용되었으며, 인공지능 기반의 신경 신호 분석 기술도 함께 접목되었다. 이 기술은 파킨슨병이나 알츠하이머병 같은 난치성 및 퇴행성 뇌 질환 치료를 위한 전자약 기술의 전임상 시험에도 활용될 수 있어, 향후 다양한 치료 기술로의 확장 가능성도 매우 높다.

장경인 교수는 “비인간 영장류가 신경 신호 기록기 이식 여부를 자각하지 못할 정도로 자연스러운 상태에서 무선으로 뇌신경 신호를 측정할 수 있는 기술을 개발했다”며 “전임상 시험과 임상 시험에도 범용적으로 적용될 수 있도록 발전시켜, 현재 의공학 기술로는 치료가 어려운 파킨슨병, 알츠하이머병 등 다양한 난치성 뇌질환 치료 연구에 기여할 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.

한편, DGIST 장경인 교수팀(오세혁 박사과정생, 제갈장환 석박사통합과정생)과 한국생명공학연구원 이영전 책임연구원팀(원진영 박사후연수연구원)이 공동으로 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 STEAM 연구사업(글로벌 융합 연구 지원)과 나노 및 소재기술 개발사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 바이오메디컬 분야 최고 권위의 국제 학술지인 ‘Nature Biomedical Engineering’ 11월 호에 게재되었다. DGIST 장경인 교수는 교원 창업 기업인 ‘엔사이드’를 통해 신규 브레인 칩의 기술 사업화를 추진 중이며, 미국 하버드 대학 및 MIT와의 전략적 파트너십을 통해 해당 기술의 국제화를 진행하고 있다.

연구결과개요

A stealthy neural recorder for the study of behaviour in primates

(Saehyuck Oh, Janghwan Jekal, Jinyoung Won, Kyung Seob Lim, Chang-Yeop Jeon, Junghyung Park, Hyeon-Gu Yeo, Yu Gyeong Kim, Young Hee Lee, Leslie Jaesun Ha, Han Hee Jung, Junwoo Yea, Hyeokjun Lee, Jeongdae Ha, Jinmo Kim, Doyoung Lee, Soojeong Song, Jieun Son, Tae Sang Yu, Jungmin Lee, Sanghoon Lee, Jaehong Lee, Bong Hoon Kim, Ji-Woong Choi, Jong-Cheol Rah, Young Min Song, Jae-Woong Jeong, Hyung Jin Choi, Sheng Xu, Youngjeon Lee,

& Kyung-In Jang)

(Nature Biomedical Engineering, on-line published on 8th November, 2024)

신경 기록기는 뇌 신경 신호를 측정하여 특정 행동 및 인지 상태에 내재된 신경학적 메커니즘을 연구하는 데 중요한 장치이다. 여러 동물 모델 중 비인간 영장류는 뇌 해부학적으로 인간과 유사하고 고도의 인지 기능을 탐구할 수 있기에 신경 기록기를 활용한 전임상 시험에 적용될 수 있다. 그러나 영장류 뇌의 큰 부피, 영장류 고유의 통제되지 않는 광범위한 움직임과 야생성은 자연스러운 행동 속에서 은밀하고 장기적으로 뇌 신경 신호를 기록하고 분석하는 데 상당한 공학적 과제를 안겨준다. 본 연구에서는 이를 해결하여 영장류의 자연 본능 행동을 연구하기 위한 완전 매립형 무선 신경 기록기를 개발하였다. 개발한 신경 기록기는 소형 무선 임베디드 시스템, 생분해성 삽입 셔틀이 부착된 유연 소재 기반 신경 탐침, 영장류의 자연스러운 행동 범위 내 전력 전송이 가능한 무선전력전송 시스템이 통합되어 개발되었다. 본 연구진은 이를 영장류의 뇌에 이식한 후 자유롭게 섭식 행동을 하는 영장류 내 뇌 심부 영역의 신경 신호와 행동 신호를 한 달에 걸쳐 성공적으로 측정하였다. 이후 인공지능 모델을 사용하여 측정한 바이오마커를 통해 섭식 행동 단계를 분류하였다.

연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가

기존의 뇌신경 신호 기록기는 유선을 통해 외부 분석 장비와 연결되거나, 배터리로 구동되어 기록기가 이식된 비인간 영장류의 움직임이 제한되거나, 재수술이 불가피하였다. 본 연구에서는 영장류의 자연스러운 움직임 범위 내에서 무선전력전송을 통해 전력을 공급받고, 무선 통신을 통해 신경 신호를 전송할 수 있는 배터리가 없는 형태의 완전 매립형 무선 뇌신경 신호 기록기를 개발하였다. 또한, 본 연구는 뇌의 손상을 줄이는 유연 소재를 사용하여 뇌신경 신호 기록기를 개발하였기에 장기간 이식이 가능하도록 하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나

기존의 완전 매립형 무선 뇌신경 신호 기록기가 대부분 설치류와 같은 소형 동물에만 적용될 수 있었던 것과 달리, 본 연구는 인간과 유사한 비인간 영장류에 이식될 수 있다. 이는 곧 비인간 영장류를 활용한 뇌신경 과학 연구와 난치성 뇌질환 치료를 위한 전임상 시험에 활용할 수 있다는 의미로 귀결된다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는

본 연구를 통해 개발된 완전 매립형 무선 뇌신경 신호 기록기를 전자약 연구를 위한 전임상 시험에 적극 활용하기 위해서는 치료를 위한 자극기 등을 추가적으로 연구해야 할 필요가 있다. 난치성 뇌질환을 치료하기 위한 전임상 시험에 적용해 본 후에는 식약처로부터 승인을 얻어 임상시험을 수행할 수 있을 것으로 기대된다. 

Q. 연구를 시작한 계기는

삽입형 전자약을 연구를 진행해 오던 중 대부분의 연구가 인간과 상이한 설치류와 같은 소형 동물에 적용되고 있는 것을 깨닫게 되었다. 이에 사람에게 조금 더 직접적으로 도움이 될 수 있는 비인간 영장류를 위해 연구를 진행하고자 시작되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가

이번 연구는 세계적으로 사례가 매우 드문 인간과 유사한 비인간 영장류에 적용될 수 있는 매립형 뇌신경 신호 기록기이다. 그뿐만 아니라, 매립 후 영장류가 기록기가 이식되었다는 것을 인식하지 못할 정도로 자유로운 환경에서 행동 관찰과 신경 신호 측정이 이루어지기에 다양한 조건에서 신경 신호를 제약 없이 측정할 수 있다는데 의미가 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는

본 기술에 치료용 자극기를 추가하여 난치성 뇌질환 치료에 적극적으로 활용될 수 있도록 할 예정이다. 또한, 임상에서 적용이 가능할 수 있도록 본 연구를 최적화하여 난치성 뇌질환으로 고통받는 수많은 환자들에게 도움이 될 수 있도록 하고 싶다.

그림설명

[그림 1] 완전 매립형 무선 뇌신경 신호 기록기 개요도

(그림설명) 완전 매립형 무선 뇌신경 신호 기록기를 활용한 자연 본능 속에 내재된 뇌신경 신호 측정 및 분석 개요도

[그림 2] 완전 매립형 무선 뇌신경 신호 기록기 개요도