다기능 탐침 ‘나노 죽부인’ 으로 부작용 없이 뇌 신경 자극해 신호 기록한다-살아있는 쥐에 이식하여 뇌신경 활동 관찰 성공… 뇌질환 치료 기여 기대

다기능 탐침 ‘나노 죽부인’ 으로 부작용 없이 뇌 신경 자극해 신호 기록한다-살아있는 쥐에 이식하여 뇌신경 활동 관찰 성공… 뇌질환 치료 기여 기대

 

보도일 2021-03-23 09:10 연구단명분자 분광학 및 동력학 연구단

 

 

다기능 탐침‘나노 죽부인’으로 부작용 없이 뇌 신경 자극해 신호 기록한다
- 살아있는 쥐에 이식하여 뇌신경 활동 관찰 성공… 뇌질환 치료 기여 기대 -

뇌는 복잡한 신호 전달 체계를 가지고 있다. 뇌 질환 치료의 실마리를 찾기 위해서는 이 체계에 대한 이해가 필수다. 즉 원하는 위치에서 뇌 신경을 자극하고, 이때 발생하는 신호를 정확히 측정함으로써 뇌 신경들이 신호를 주고받는 연결고리를 이해하는 것이 필요하다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 박홍규 교수(고려대 물리학과) 연구팀은 부작용 없이 빛으로 뇌신경을 자극하여 뇌 신호를 기록할 수 있는 나노장치를 개발했다. 이로써 복잡한 뇌의 비밀에 한 걸음 더 다가서고, 관련 질환 치료에 기여할 것으로 기대된다.
지금까지 뇌 연구는 금속이나 실리콘 소재의 삽입형 탐침(probe)을 이식해 뇌신경을 자극하고, 그 반응을 측정해왔다. 하지만 딱딱한 탐침이 뇌 세포를 손상시키거나 주변에 면역반응을 일으켜 신호 측정을 어렵게 만든다는 문제가 있었다. 탐침이 삽입되면 면역세포인 미세아교세포(microglia)가 탐침 주변을 둘러싸는데, 이 경우 뇌를 자극하기 위해 더 큰 자극이 필요하기 때문이다.
박홍규 교수팀은 이전 연구에서 미국 하버드대와 공동으로 뇌와 비슷한 굽힘 강도 굽힘 강도(Bending Stiffness): 어떤 재질을 휘게 하거나 구부러지게 하는 외력에 견디는 힘
의 그물구조 탐침을 개발했다(2018, Science). 이 탐침은 유연한 그물망 형태의 고분자를 원통형으로 만 나노 구조체로, 죽부인과 그 모양이 유사하다. 당시 연구진은 이 ‘나노 죽부인’을 쥐 뇌에 이식했을 때 뇌 조직과 성질이 유사해 뇌신경에 면역반응을 일으키지 않고, 장기간 뇌신경의 신호를 측정할 수 있음을 확인했다.
이번 연구에서는 뇌 신호 측정은 물론, 빛을 주입해 뇌 신경을 인위적으로 자극하도록 성능을 개선했다. 연구진은 기존 구조에 1㎝ 길이의 광도파로 광도파로(Optical Wavequide): 광통신에 쓰이는 광섬유처럼 광전력을 도파할 수 있는 구조
를 결합하여 외부의 빛을 나노 죽부인의 끝단까지 전달할 수 있게 했다. 이 다기능 탐침을 살아있는 쥐의 뇌에 삽입하여 빛으로 뇌신경을 자극했고, 탐침의 전극을 이용해 자극된 뇌의 전기 신호 측정에도 성공했다. 신경 자극과 신경 신호 기록을 동시에 할 수 있는 삽입형 장치를 개발한 건 연구진이 처음이다.
최근 빛으로 뇌 신경을 자극 및 제어하는 광(光)유전학이 뇌 연구의 새로운 영역으로 각광받고 있다. 그러나 발광다이오드(LED) 등의 발광 장치와 신호를 측정하는 삽입형 탐침이 별도로 필요했다. 특히 LED 장치는 빛과 함께 열도 발생하여, 단백질로 구성된 뇌를 영구 손상시킬 수 있다는 문제점이 있었다.
연구진이 개발한 다기능 탐침은 이 두 장치를 하나로 간소화했다. 기존 탐침에비해 1000배 이상 유연하여 뇌에 면역 반응을 일으키지도 않는다. 또한 외부의 빛이 광도파로를 통해 간접적으로 전달되어, 열로 인한 뇌 손상이 없다는 것도 큰 장점이다.
연구진은 인체 뇌세포에서 사용할 수 있도록 탐침 기술을 개선하는 후속연구를 진행할 계획이다. 다기능 탐침의 인터페이스를 소형화하고, 실제 연구 및 의료 현장에서 응용이 가능하도록 광도파로의 길이를 증가시키려 한다.
박흥규 교수는 “광도파로가 결합된 그물 구조 탐침은 광유전학 신경 연구를 한층 발전시킬 획기적인 연구”라며 “복잡한 뇌의 신호 체계를 이해하고, 알츠하이머 및 파킨슨병과 같은 뇌 질환 치료에 응용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
연구결과는 3월 19일(한국시간) 화학 분야 권위지인 나노 레터스(Nano Letters, IF 11.238) 온라인 판에 실렸다.

[붙임] 1. 연구 추가설명 2. 그림설명 3. 연구진 이력사항

연구 추가설명

논문명
All-Tissue-like Multifunctional Optoelectronic Mesh for Deep-Brain Modulation and Mapping / Nano Letters
저자정보
Jung Min Lee, Dingchang Lin, Ha-Reem Kim, Young-Woo Pyo, Guosong Hong, Charles M. Lieber, and Hong-Gyu Park
연구내용
보충설명
■ 본 연구진은 유연한 그물 구조에 광도파로를 결합하여 빛으로 신경을 자극하면서 신경 신호를 동시에 기록할 수 있는 다기능의 그물 구조를 최초로 개발하였다.
■ 본 연구는 복잡한 뇌의 신호 체계를 이해하고 뇌 질병 치료 분야에 적용이 가능할 것이다.
연구이야기
[연구 배경] 광유전학은 광학 및 유전 공학 기술을 사용하여 특정 부위의 뇌신경을 빛으로 자극 및 제어하는 신경과학의 한 분야이다. 유전적으로 변형된 뇌를 빛으로 자극하여 뇌 신호 및 네트워크를 매핑(mapping)하고, 뇌 작동 메커니즘과 상호 관계를 이해할 수 있는 발판을 마련할 수 있다. 지금까지는 딱딱한 실리콘 및 금속 기반의 탐침에 발광다이오드(LED)와 광섬유(optical fiber)가 결합된 장치를 사용했는데, 뇌의 면역 반응 때문에 뇌신경 자극 및 뇌 신호 측정에 어려움이 있었다. 따라서 빛을 효과적으로 전달할 수 있는 유연한 삽입형 탐침의 필요성이 대두되었다.

[어려웠던 점] 광섬유의 빛을 탐침에 붙어 있는 광도파로에 입사시키는 과정에서 광섬유와 광도파로의 크기 차이 때문에 빛을 효율적으로 전달시키기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 광도파로의 시작 부분에 사다리꼴 모양의 결합 부위를 만들어서 광섬유와 광도파로의 크기 차이를 최소화 하였다.

[성과 차별점] 광도파로와 결합된 그물 구조 탐침은 현재 상업적으로 사용되는 삽입형 탐침에 비하여 1000배 이상 유연하다. 따라서 뇌에 면역 반응을 발생시키지 않고 장기간 뇌신경을 빛으로 자극하면서 뇌 신경신호를 측정하는 것이 가능하다.

[향후 연구계획] 본 연구진은 다기능의 그물 구조 탐침을 신체 여러 부위에 삽입하여 뇌신경 활동을 자극하고 반응을 측정하여 더욱 복잡한 뇌 신경회로 연구를 진행할 예정이다. 이를 통해 아직 밝혀지지 않은 뇌의 작동원리를 알아내는 연구에 집중할 것이다.

 

그 림 설 명

 

[그림 1] 나노 죽부인 기반 다기능 탐침의 구조
IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단이 개발한 다기능 그물 구조 탐침의 모습. 나노 죽부인 속에 삽입된 광도파로를 통해 빛으로 뇌세포를 자극할 수 있다(a). (b)는 광섬유에서 나오는 빛을 광도파로를 통해 뇌 안으로 입사시키고, 빛에 반응하는 뇌 신호를 측정하는 개략도.

 

[그림 2] 다기능 탐침 성능 실험
연구진은 뇌와 비슷한 유연성을 가지는 하이드로겔에 다기능 그물 구조 탐침을 삽입하여 성능을 실험했다(a). 파란색 빛이 광도파로를 통해 하이드로겔에 입사되고(b), 이 빛이 광도파로의 끝단까지 전달(c)됨을 확인할 수 있다.

 

[그림 3] 생체 내 다기능 그물 구조 탐침의 삽입 및 빛 자극 실험
(a)살아있는 쥐의 뇌에 다기능의 그물 구조 탐침을 삽입한 후, 광도파로 주위의 뇌신경을 빛으로 자극하는 모습. (b)빛으로 자극된 뇌 신경신호가 그물 구조 탐침의 전극으로 측정되고 있다. 밑에 보이는 파란색 신호가 광도파로에서 나오는 빛의 신호이고, 검정색 신호가 빛에 반응하는 뇌신경 신호이다. 검정색 신호 위의 별표 모양처럼, 자극하는 빛과 반응하는 뇌신경 신호가 잘 일치한다. (c)빛에 반응하는 뇌신경 신호의 확대된 데이터.

연구진 이력사항

<박홍규 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 교수, 교신저자 >

1. 인적사항
○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단
고려대학교 물리학과

 

2. 경력사항
2007 ~ 현재 고려대학교 물리학과 교수
2009 ~ 2021 극미세 나노선 광소자 창의연구단 연구단장
2012 ~ 현재 한국과학기술한림원 준회원 및 차세대회원
2017 ~ 현재 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 학연교수
2017 한국물리학회 학술상
2018 제1회 한성과학상(물리)
2018 과학기술정보통신부 이달의 과학기술인상(7월)
2020 과학기술정보통신부 올해의 기초연구자

3. 전문 분야 정보
- 나노광학(빛과 나노물질 사이의 상호작용 연구)

 

 

 

<이정민 고려대 물리학과 연구교수, 제1저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : 고려대 물리학과

2. 경력사항
2015 ~ 현재 고려대학교 물리학과 연구교수