적외선으로 동물 행동 조절 성공··· 신경계 질환 치료 청신호

초경량 무선 신경조절 플랫폼 [사진=한국연구재단]

[이뉴스투데이 김진성 기자] 최근 뇌에 전기, 빛 등으로 직접적인 자극을 주어 우울증, 파킨슨병 등 신경계 질환을 치료하는 신경조절 연구가 활발하다. 기존 장치는 전파 통신, 마이크로컨트롤러 등 복잡한 회로가 필요해 부피가 크고 무거웠다.

국내 연구진이 ‘빛을 이용한 통신 기술’을 이용해 이 문제를 해결했다. 뇌에 심은 초소형 장치로 적외선을 발생시키면, 이를 감지한 반도체 소자가 스스로 전기 회로를 켜 뇌를 자극하는 방식이다. 복잡한 무선통신 회로 없이 빛만으로 신경 신호를 조절할 수 있게 된 것이다.

신효근 경북대 전자공학부 교수팀은 특정 적외선 파장에 선택적으로 반응하는 광트랜지스터를 이용해, 복잡한 무선통신 회로 없이 원하는 뇌 회로를 선택적으로 자극할 수 있는 초경량 무선 신경조절 플랫폼을 개발했다고 10일 밝혔다.

연구진은 연구용 쥐를 이용해 이 기술을 검증했다. 쥐의 머릿속에 적외선 조사 장치를 설치하고 실험한 결과, 안정적인 신경자극이 가능하다는 사실을 확인했다. 이렇게 생쥐의 대뇌 운동피질(M2)을 자극한 결과, 그 위치와 방식에 따라 서로 다른 행동을 유도하는데도 성공했다. 실제로 뇌 회로를 선택적으로 조절할 수 있음을 검증한 것이다.

이 과정에서 서로 다른 적외선 파장(810㎚, 950㎚)에 선택적으로 반응하는 광트랜지스터와 광학 필터(optical filter)를 적용해 원하는 자극만 선택적으로 보낼 수 있었다. 810㎚ 적외선을 쏘아 보내면 경두개 직류자극(tDCS) 시스템이 활성화돼 뇌의 좌측 운동피질을 자극할 수 있었으며, 950㎚ 적외선을 조사해 심부뇌자극(DBS) 시스템을 활성화 해서 우측 운동피질을 자극하는 식이다. 실험에 사용한 경두개 직류자극 시스템은 무게 약 1.2ｇ, 심부뇌자극 시스템은 0.5g 이하로 극히 가벼웠다. 실험동물의 부담을 줄일 수 있는 것은 물론 향후 인체 치료용으로 개발할 수 있는 가능성 역시 높을 것으로 보인다.

연구진은 이번 기술 개발을 통해 앞으로 동물의 자연스러운 움직임을 유지하면서 다양한 뇌 회로를 정밀하게 연구할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

신효근 교수는 “향후 다양한 신경계 질환 연구와 차세대 무선 신경조절 및 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원을 받았다.