KAIST, 하이드로젤 기반 뇌-기계 인터페이스 개발

박성준 교수 연구팀, MIT와 공동 뇌에 삽입 가능한 장치 개발

KAIST(총장 이광형)는 바이오 및 뇌공학과 박성준 교수 연구팀이 메사추세츠 공과대학(MIT) 폴리나 아니키바(Polina Anikeeva) 교수, 쏸허 자오(Xuanhe Zhao) 교수, 육현우 박사 공동 연구팀과 함께 하이드로젤 기반의 유연성 뇌-기계 인터페이스를 개발하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

하이드로젤은 물과 젤리가 합쳐진 합성어다. 주로 필러, 보톡스, 화장품에 쓰이는 반고체 상태 물질이다. 인공적인 인체 조직을 만드는 원료로 적합해 의학적으로 널리 쓰인다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 8일자로 출판됐다. (논문명: Adaptive and multifunctional hydrogel hybrid probes for long-term sensing and modulation of neural activity)

뇌 구조를 연구하거나 뇌 신경 질환 메커니즘을 파악해 치료하기 위해서는 실시간으로 뇌를 자극하고 신호를 측정할 수 있는 인터페이스 개발이 필수적이다. 그러나 기존 신경 인터페이스는 기계적, 화학적 특성이 뇌 조직과 너무 달라 일어나는 이물 반응(foreign body response) 때문에 주변에 절연세포층이 형성, 수명이 매우 짧아진다는 문제점이 있었다.

그림 1. 하이드로젤 기반 하이브리드 뇌-기계 인터페이스 개요 및 제작과정

KAIST 연구팀은 이 문제 해결을 위해 직접 제작한 다기능성 파이버 다발을 하이드로젤 몸체에 넣는 방법을 이용해 '뇌 모사형 신경 인터페이스'를 제작했다. 이 장치는 빛으로 특정 신경세포종만을 자극할 수 있는 광유전학 기술을 적용하기 위한 광섬유뿐 아니라 뇌에서 신호를 읽을 수 있는 전극 다발, 약물을 뇌 속으로 전달할 수 있는 미세 유체 채널을 모두 보유하고 있다.

또 이 인터페이스는 하이드로젤 몸체를 건조시킨 상태에서는 단단한 성질이 고분자와 유사해 몸체에 삽입하기가 쉽다. 하지만 몸에 들어가면 체내의 수분을 빠르게 흡수해 부드럽고 수분이 풍부한 주변 조직과 유사한 상태가 되므로 이물 반응을 최소화할 수 있다.

연구팀은 이런 특성을 가진 장치를 동물 모델에 직접 적용해 기존 기록을 훨씬 뛰어넘는 삽입 후 6개월까지도 뇌 신호를 측정할 수 있음을 보여줬다. 또 자유롭게 움직이는 쥐를 대상으로 초장기간 광유전학 실험, 행동 실험 등이 가능하며 이물 반응에 의한 아교세포 및 면역세포 발현이 기존 장치보다 현저히 감소한 것도 증명했다.

박성준 교수는 "이번 연구는 최초로 하이드로젤을 다기능 신경 인터페이스 구성물질로 사용해 그 수명을 대폭 상승시켰다는 데 의의가 있다"며 "이 연구를 통해 향후 알츠하이머병, 파킨슨병 등 초장기간 관찰이 필요한 뇌 신경 질환 연구가 더 발전할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 신진연구사업, 범부처의료기기개발 사업, 나노소재원천기술개발사업, 차세대 지능형 반도체 개발사업, KK-JRC 스마트 프로젝트, 카이스트 글로벌 이니셔티브 프로그램, 포스트 인공지능(Post-AI) 프로젝트 사업의 지원을 받아 수행됐다.

박성준 KAIST 교수