초장기간 작동 뇌-기계 인터페이스 개발​

< (왼쪽부터) 바이오및뇌공학과 박성준 교수, 전우진 박사과정, 김예지 박사과정 >

수술이 불가피한 삽입형 신경 인터페이스의 경우 ,  한 번의 수술로도 최대한 많은 정보를 얻을 수 있고 장기간 사용가능한 디바이스의 개발이 필요하다 .  한국 연구진이  1 년 이상 사용가능한 다기능성 신경 인터페이스를 개발하여 향후 뇌 지도 ,  질환 연구 및 치료에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대한다 .  

우리 대학 바이오및뇌공학과 박성준 교수 연구팀과 한양대학교 ( 총장 이기정 )  바이오메디컬공학과 최창순 교수 연구팀이 ,  열 인발공정 (Thermal Drawing Process, TDP)* 과 탄소나노튜브 시트를 병합해 장기간 사용 가능한 다기능성 섬유형 신경 인터페이스를 개발했다고  24 일 밝혔다 .

☞  열 인발공정  :  열을 가해 큰 구조체의 복잡한 구조체를 빠른 속도로 당겨 같은 모양 및 기능을 갖춘 섬유를 뽑아내는 일 또는 가공 .  

뇌신경 시스템 탐구를 위한 삽입형 인터페이스는 생체 시스템의 면역 반응을 줄이기 위해 생체 친화적이며 부드러운 물질을 사용하면서도 ,  다양한 기능을 병합하는 방향으로 발전해 왔다 .  하지만 기존의 재료와 제작 방법으로는 다양한 기능을 구현할 수 있으면서도 장기간 사용가능한 디바이스를 만들기 어려웠고 ,  특히 탄소 기반 전극의 경우 제조 및 병합 과정이 복잡하고 금속 전극에 비해 기능적 수행 능력이 떨어진다는 문제점이 있었다 .  

연구팀은 문제 해결을 위해 이번 연구에서 탄소나노튜브 시트 전극과 고분자 광섬유를 병합했다 .  탄소나노튜브 섬유가 한 방향으로 배열된 탄소나노튜브 시트 전극을 통해 신경세포 활동을 효과적으로 기록했고 ,  광 전달을 담당하는 고분자 광섬유에 이를 감아 머리카락 크기의 다기능 섬유를 제작했다 .  연구팀은 제작된 섬유는 우수한 전기적 ,  광학적 ,  기계적 성질을 보였음을 확인했다 .

< 그림 1. 다기능성, 간단한 제작과정, 장기간 사용 가능한 섬유형 신경 인터페이스 개요 >

해당 뇌 - 기계 인터페이스를 실제 쥐 모델에 삽입한 결과 ,  전기적 신경 활성신호 ,  화학적 신경전달물질 ( 도파민 ) 을 잘 측정하고 광유전학적 조절을 통해 행동학적 산출을 이끌어낼 수 있음을 확인했다 .  또한 연구팀은  1 년 이상 광학적으로 발화된 신경 신호와 자발적으로 발화된 신경 신호를 측정함으로써 초장기간 사용 가능성 도 보여줬다 .  

이번 연구 결과는 국제 학술지  ` 어드밴스드 머터리얼스 (Advanced Materials)' 에  2024 년  3 월  29 일  字 로 출판됐다 .  ( 논문명 :  Structurally Aligned Multifunctional neural Probe (SAMP) using forest-drawn CNT sheet onto thermally drawn polymer fiber for long-term in vivo operation )  

박성준 교수는  " 전기적 신경 활성신호와 더불어 화학적 신경전달물질 기록 및 광학적 조절 기능을 갖춘 초장기간 사용가능한 차세대 신경 인터페이스의 개발 성과 ˮ 임을 강조하며 , " 향후 대동물 적용 및 자기공명영상 장비와 동시 사용을 통해 뇌 질환의 세부적인 메커니즘 파악과 전뇌적 (Whole brain)  기록 및 조절 분야에 사용될 수 있을 것 ˮ  이 라고 말했다 .  

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 ,  한국연구재단 나노및소재기술개발사업 ,  경찰청 미래치안도전기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다 .