빛으로 원하는 뇌회로만 선택적으로 자극하는 초경량 무선 신경조절 플랫폼 개발

- 적외선만으로 선택적 뇌자극 구현

- 차세대 뇌질환 치료기술의 새로운 가능성 제시

적외선 파장 선택형 초경량 무선 신경조절 시스템의 구성과 작동 원리. (자료제공: 한국연구재단)

국내 연구진이 서로 다른 파장의 적외선을 이용해 원하는 뇌회로를 선택적으로 자극할 수 있는 초경량 무선 신경조절 플랫폼을 개발해 주목받고 있다. 해당 기술은 자유롭게 행동하는 동물의 자연스러운 움직임을 유지하면서 다양한 뇌회로를 정밀하게 연구하고, 향후 신경계 질환 치료기술과 무선 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 개발하는 데 활용될 것으로 기대된다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 신효근 경북대학교 교수 연구팀이 특정 적외선 파장에 선택적으로 반응하는 광트랜지스터를 이용해, 복잡한 무선통신 회로 없이 원하는 뇌회로를 선택적으로 자극할 수 있는 초경량 무선 신경조절 플랫폼을 개발했다고 8월 10일 밝혔다.

최근 우울증, 파킨슨병, 뇌전증 등 다양한 신경계 질환 치료를 위한 신경조절 기술 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존 무선 신경조절 장치는 블루투스, RF 통신, 마이크로컨트롤러 등 복잡한 무선통신 회로를 포함해 장치의 크기와 무게가 증가하며, 자유행동 동물의 자연스러운 움직임을 방해할 수 있다는 한계가 있었다.

적외선 기반 초경량 무선 신경조절 시스템과 자유행동 생쥐 적용. (자료제공: 한국연구재단)

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 적외선만으로 동작하는 초경량 무선 신경조절 플랫폼을 개발했다. 서로 다른 적외선 파장(810nm, 950nm)에 선택적으로 반응하는 광트랜지스터(phototransistor)와 광학 필터(optical filter)를 적용해 하나의 실험 환경에서도 원하는 자극만 독립적으로 제어할 수 있음을 입증했다. 

또한 경두개 직류자극(tDCS, 두피 또는 두개골 부근에 약한 직류 전류를 인가하여 뇌신경 활동을 조절하는 비침습적 신경조절 방법) 시스템은 약 1.2g, 심부뇌자극(DBS뇌 안쪽의 특정 영역에 전극을 삽입하고 전기자극을 전달하여 신경회로의 활동을 조절하는 기술) 시스템은 0.5g 이하의 초경량 구조를 구현하여 실험동물의 부담을 크게 줄였다.

연구팀은 자유롭게 움직이는 생쥐에서 적외선 조사만으로 안정적인 신경자극이 가능함을 확인했으며, 운동피질(M2) 자극을 통해 자극 위치와 방식에 따라 서로 다른 회전 행동을 유도함으로써 실제 뇌회로를 선택적으로 조절할 수 있음을 검증하였다.

신효근 교수는 “이번 연구는 복잡한 무선통신 회로 없이 적외선만으로 원하는 뇌회로를 선택적으로 조절할 수 있는 초경량 플랫폼을 구현했다는 데 의미가 있다”며 “향후 다양한 신경계 질환 연구와 차세대 무선 신경조절 및 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘마이크로시스템즈 앤드 나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering)’에 7월 24일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]