한국과 미국 과학자팀이 스마트폰으로 제어하는 작은 뇌 임플란트로 신경회로를 제어할 수 있는 장치를 발명했다.

교체 가능한 약물 카트리지와 강력한 블루투스 저에너지를 사용하는 이 장치는 약물과 빛을 사용해 장기간 특정 관심 뉴런을 타겟팅 할 수 있다. 연구자들은 이 장치가 파킨슨병, 알츠하이머, 중독, 우울증 및 통증과 같은 뇌 질환을 발견하려는 노력을 가속화 할 수 있다고 말한다.

연구는 5일(현지시각) 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)에 발표됐다.

한국과학기술원(KAIST)과 미국 콜로라도 볼더대(University of Colorado Boulder)에서 연구한 주저자인 라자 카지(Raza Qazi)는 “무선 신경 장치는 이전에는 결코 달성 할 수 없었던 만성 화학 및 광학 신경 조절을 가능하게 한다”고 워싱턴대 보도자료에서 말했다.

신경 과학자들은 일반적으로 약물과 빛을 전달하기 위해 단단한 금속 튜브와 광섬유를 사용했다. 부피가 큰 장비와의 물리적 연결로 인한 피험자의 움직임을 제한하는 것 외에도, 상대적으로 단단한 구조는 시간이 지남에 따라 연한 뇌 조직에 병변을 일으켜 이식에 적합하지 않았다.

소프트 프로브 및 무선 플랫폼을 통합해 부작용과 조직 반응을 부분적으로 완화하기위한 노력이 있었지만, 이전 솔루션은 장기간 약물을 전달할 수없고 부피가 크고 복잡한 제어 설정으로 인해 제한됐다.

장기간 뇌 회로를 연구하기위한 무선 약물 전달을 위해 과학자들은 약물의 고갈과 증발 문제를 해결해야했다. KAIST와 미국 시애틀 워싱턴대(University of Washington School of Medicine) 연구원들은 교체 가능한 약물 카트리지로 신경 장치를 발명하기 위해 협력했다.

‘플러그 앤 플레이’약물 카트리지는 부드럽고 초박형 프로브(인모의 두께)를 가진 실험쥐 뇌 임플란트로 조립됐다. 미세 유체 채널과 작은 LED(소금보다 작음)로 구성됐다.

스마트폰의 간단한 인터페이스 제어로 신경 과학자는 실험실 밖에서도 이식된 대상 동물에서 빛과 약물 전달의 특정 조합 또는 정밀한 시퀀싱을 쉽게 유발 할 수 있다. 이러한 무선 신경 장치를 사용해 연구원들은 빛과 약물 전달의 조건부 트리거를 통해 한 동물의 행동이 다른 동물의 행동에 긍정적 또는 부정적인 영향을 줄 수 있는 완전 자동화된 동물 연구를 쉽게 설정할 수 있다.

KAIST 전기공학과 정재웅 교수는 “이 혁신적인 장치는 첨단 전자 설계와 강력한 마이크로 및 나노 스케일 엔지니어링의 결실”이라며 “우리는 임상 응용을 위한 뇌 임플란트를 만들기 위해 이 기술을 더 발전시키고 싶다”고 말했다.

워싱턴대 의대 마취과 통증의학 및 약리학 교수 마이클 브루카스(Michael Bruchas)는이 기술이 여러 가지 방법으로 연구자들을 도울 것이라고 말했다.

그는 “이것은 행동의 신경 회로 기반을 더 잘 분석 할 수 있게 해주며 뇌의 특정 신경 조절제가 다양한 방식으로 행동을 조정하는 방법”이라며 “복잡한 약리학 연구를 위해 이 장치를 사용하기를 바란다. 이는 통증, 중독 및 정서적 장애에 대한 새로운 치료제 개발에 도움이 될 수 있다”고 말했다.

KAIST 연구팀은 웨어러블 및 임플란트 가능한 장치를 위한 연성 전자 장치를 개발하고 워싱턴대 의대 브루카스 연구팀 신경 과학자들은 스트레스, 우울증, 중독, 통증 및 기타 신경정신병 장애를 제어하는 뇌 회로를 연구했다.

엔지니어와 신경 과학자 사이에서 3년 연속으로 수십 차례 디자인을 거듭하며 진행된 이 글로벌 협력은 자유롭게 움직이는 쥐에서 뇌 임플란트를 성공적으로 검증했다.

이 연구는 한국연구재단, 미국 국립보건연구소(NIH), 미국 국립약물남용연구소(NIDA) 및 멜린로트 프로페서십(Mallinckrodt Professorship)이 지원했다.

*논문제목

Wireless optofluidic brain probes for chronic neuropharmacology and photostimulation