뇌 연구도 IoT로 척척…미국에서 한국 뇌 장치 실시간 조작

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 미국에서 한국에 있는 초소형 뇌 이식 장치를 인터넷으로 원격 조절한다. 국내 연구진이 세계 어디서든 약물을 전달하고 빛으로 뇌 신경세포를 정밀하게 조절할 수 있는 무선 장치를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀, 연세대학교 의과대학 김화영 교수 연구팀이 공동으로 약물 전달, 빛 자극, 무선 통신, 인터넷 원격 제어 기능을 하나로 통합한 사물인터넷(IoT) 기반 무선 뉴럴 임플란트(뇌 이식 장치)를 개발했다고 27일 밝혔다.

연구팀은 물리적 한계를 해결하기 위해 뇌 이식 장치를 인터넷에 연결했다. 연구자가 실험실에 직접 가지 않아도 인터넷을 통해 실시간으로 약물을 투여하거나 빛을 쬐어 특정 뇌 신경세포를 조절할 수 있다. 미리 설정한 시간에 자동으로 작동하도록 프로그램하는 것도 가능하다.

장치는 각설탕 정도로 작아 동물의 자유로운 움직임을 크게 방해하지 않는다. 연구자가 실험동물 가까이에서 반복적으로 장비를 조작할 필요도 없어 사람으로 인한 스트레스가 동물의 행동과 실험 결과에 영향을 미치는 것을 줄일 수 있다.

장치 내부에는 뇌의 원하는 부위에 약물을 정밀하게 전달하는 미세 유체 시스템과 특정 신경세포를 빛으로 조절하는 마이크로 발광다이오드가 함께 탑재됐다. 약물과 빛을 각각 따로 조절할 수 있고, 두 기능의 연계도 가능하다.

약물 저장소는 자석으로 쉽게 탈부착할 수 있어 약물이 떨어지면 간단하게 보충할 수 있다.

연구팀은 실제 쥐에 장치를 이식해 4주 동안 성능을 검증했다. 특히 미국 시카고에 있는 연구자가 인터넷을 통해 대전에 있는 뇌 장치를 실시간으로 원격 조작하는데 성공하면서 국가 간 거리에서도 안정적으로 작동할 수 있음을 입증했다.

또 쥐의 뇌에 코카인을 투여한 뒤 동시에 특정 신경세포를 빛으로 자극하는 실험을 통해 중독 관련 행동 반응을 억제할 수 있음을 확인했다. 약물 전달과 빛 자극을 결합한 뇌 회로 연구 가능성을 보여준 성과다.

이번 기술은 동물이 자유롭게 활동할 수 있는 환경에서 장기간 뇌 회로와 행동 관계를 연구할 수 있다는 점에서 의미가 크다. 다만 실제 임상 적용을 위해서는 추가적인 전임상 검증과 안전성 평가, 의료기기 인허가 절차가 우선돼야 한다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 여러 연구기관들이 공동 활용할 수 있는 원격·자동화 플랫폼을 구축하고 뇌질환 치료용 지능형 이식 장치 개발로 연구를 확장할 계획이다.

향후 중독이나 우울증, 퇴행성 뇌 질환 등 서서히 뇌와 행동이 변화하는 질환을 연구하는데 활용될 것으로 기대된다. 뇌 상태를 감지하는 센서와 인공지능(AI) 기술 등을 결합해 필요한 시점에 약물이나 신경 자극을 제공하는 지능형 이식형 의료기기 연구로 확장될 가능성도 있다.

정 교수는 "장기적으로는 뇌 질환의 진단과 치료를 위한 지능형 이식형 의료기기 개발에 응용될 것으로 기대한다"고 말했다.

김 교수는 "향후 다양한 질환 모델에서 뇌 회로와 행동 사이의 인과관계를 규명하는데 중요한 연구 도구로 활용될 것"이라고 강조했다.

KAIST 전기및전자공학부 정은영 박사과정과 연세대 의대 박종우 박사과정 연구원이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 게재됐다.

jongseo12@news1.kr