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스마트 폰 으로 쥐 움직임 조종 성공



광 유전학 은 빛 으로 생체 조직 의 세포 들을 조절할 수 있는 생물학적 기술 입니다. 신경 세포 를 유 전적으로 조작 하여 빛 에 반응 하는 이온 채널 을 발현 합니다. 광 유전학 과 신경 약물학 은 주변 신경 회로 에 영향 을 주지 않고 목표 로 하는 뉴런 이나 신경 회로 만을 빛 또는 약물, 혹은 그 둘 의 조합 을 이용해 정교 하게 제어 할 수 있습니다. 기존 의 전기 자극 을 활용 한 방법 에 비해 훨씬 더 높은 시공간적 해상도 를 가져 최근 뇌 연구 및 뇌 질병 치료 목적 으로 주목 받고.

하지만 현재 뇌 연구 에 일반적 으로 쓰는 기기 는 상대적 으로 크기 가 커 뇌 조직 손상 우려 가 있고 정교한 선택적 신경 회로 제어 가 불가. 하나 의 다 기능성 프로브 (rehearsals) 형태 로 구현 하기도 어렵 습니다. 또한, 기존 기기 는 실리카 (silica) 와 금속 등 고 강성 재료 로 제작 돼 부드러운 뇌 조직 과 의 기계 특성 적 간극 이 나타나 죠. 이러한 특성 으로 인해 염증 반응 을 악화 시켜 장기간 이식 용 으로 적합 하지 않습니다. 무엇 보다 일반적 으로 연구실 에서 쓰이고 있는 광섬유 약물 주입 관 등 은 뇌 이식 후 외부 기기 에 선 이 연결된 형태 로 사용해야 해 자유로운 행동 을 크게 제약 하게 됩니다.

마이크로 폰앱 을 이용한 마이크로 LED 컨트롤. KA: KAIST
마이크로 폰앱 을 이용한 마이크로 LED 컨트롤. KA: KAIST

KAIST University 및 마이클 공학부 Michael Michael Michael Michael Michael (Michael Bruchas) University 공동 Michael Michael Michael 폰 폰 과 을 뇌 특정 약물 에 전달 대 뇌 특정 부위 에 를 함으로써 신경 회로 있는 뇌 이식 용 무선 기기 를 개발 했습니다. 에 게재 된 논문 에 따르면 연구팀 은 기존 뉴럴 인터페이스 용 도구 들의 한계 를 극복 하고자, 초정밀 마이크로 공정 기술, 전달 인쇄 기술, 그리고 생체 직접 형 임베디드 시스템 기술 을 이용한 초소형, 무선 유연성 뉴럴 디바이스 를 제작 했다고 합니다.

쥐 조종 성공

개발 된 뇌 이식 용 무선 디바이스. KA: KAIST
개발 된 뇌 이식 용 무선 디바이스. KA: KAIST

Polymer 미세 polymer (polymer) 마이크로 유체 관 과 마이크로 LED 를 결합 해 머리카락 두께 의 유연한 탐침 을 만들고 이를 소형 블루투스 기반 제어 회로 와 교체 가능한 약물 카트리지 와 결합 했습니다. 마이크로 은 이를 통해 스마트 폰 앱 을 통해 무선 으로 마이크로 LED 와 약물 전달 을 제어 g 수 있는 무게 2g 의 뇌 이식 용 를 를 구현 했죠.

교체 가능한 약물 카트리지 를 활용 한 다양한 약물 의 전달. KA: KAIST
교체 가능한 약물 카트리지 를 활용 한 다양한 약물 의 전달. KA: KAIST

자세히 알아 볼까요? 이상적인 약물 전달 디바이스 는 임플랜트 후 추가적인 수술 없이 장기간 에 걸쳐 약물 을 전달할 수 있어야 합니다. 기존 의 금속 으로 된 주사기 형태 의 약물 주입 관 이 갖는 일회성 약물 전달 의 한계 를 극복 하기 위해 연구팀 은 필요할 때 쉽게 교체 할 수 있는 약물 카트리지 를 개발 했습니다.

연구팀 은 레고 블럭 의 조립 원리 를 이용해 유체 채널 이 내재 되어 있는 남성형 과 여성형 레고 모양 의 디바이스 파트 들이 탐침 부분 과 쉽게 조립 및 분리 가 가능한 형태 의 카트리지 를 제작 했습니다. 그래서 필요할 때 마다 새로운 약물 카트리지 를 결합 함으로써 원하는 약물 을 장기간 에 걸쳐 뇌 의 특정 부위 에 반복 전달할 수 있죠.

연구팀 은 약물 카트리지 로 마이크로 전기 히터 에 발생 시킨 열 을 이용해 폴리머 를 팽창 시킴으로써 약물 을 분출 시키는 유체 펌프 를 내재 하도록 설계 하고 이를 여성형 레고 모양 의 유체 채널 과 결합 해 구현 했습니다.

디바이스 가 이식 된 쥐 의 사진. KA: KAIST
디바이스 가 이식 된 쥐 의 사진. KA: KAIST

연구팀 은 이 기기 를 쥐 의 뇌 보상 회로 에 이식 한 후 도파민 활성 약물 과 억제 약물 이 든 카트리지 를 기기 와 와 했습니다. 그 후 간단한 스마트 폰 앱 제어 와 도파민 활성 약물 을 이용해 원하는 타이밍 에 자유롭게 움직이는 쥐 의 행동 을 증가 및 억제 하는 데 성공 했다고 합니다.

또한 연구팀 은 쥐 의 뇌 에서 장소 선호도 를 유도 할 수 있는 부위 에 빛 에 반응 하는 단백질 을 주입 해 신경 세포 가 빛 에 신경 세포 가 했습니다. 마이크로 후 연구팀 은 쥐 가 특정 장소 로 이동 했을 때 마이크로 LED 를 켜 빛 자극 을 통해 쥐 가 그 장소 에 계속 머물고 싶게 만드는 데 성공 했습니다. 반대로 약물 전달 을 통해 뇌 신경 회로 를 제어 함으로써 쥐 의 특정 장소 선호도 를 없애는 데도 성공 했다고.

연구팀 이 개발 한 이번 기술 은 장기간 의 동물 실험 이 필요한 신약 개발 뿐 아니라 치매, 파킨슨 병 등 뇌 질환 치료 에도 적용 할 수 있을 것으로 기대 됩니다. 연구팀 은 이 기술 을 인체 에 적용 하기 위해 두개골 내에 완전히 이식 할 수 있고 반영구적 사용 이 가능한 형태 로 디자인 을 발전 시키는 확장 연구 를 계획 하고 있다고 합니다.

앞으로 의 전망

김충연, 변 상혁 박사 과정, 정재웅 교수. KA: KAIST
김충연, 변 상혁 박사 과정, 정재웅 교수. KA: KAIST

이번 연구 를 주도한 정재웅 교수 는 "빛 과 약물 을 이용한 신경 회로 제어 는 기존 의 전기 자극 방법 보다 훨씬 더 정교 해 부작용 없는 뇌 제어 가 가능 하다" 며 "개발 된 기기 는 간단한 스마트 폰 조작 으로 뇌 의 특정 회로 를 빛 과 약물 을 이용해 반복적, 장기적 으로 무선 제어 가 가능해 뇌 기능 을 밝혀 내기 위한 연구 나 향후 뇌 질환 의 치료 에도 유용 하게 적용 할 수 있을 것 "것 말했습니다.

## 참고 자료 ##

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