베터리 필요없는 뇌파 측정 초소형 무선장치 첫 개발

인간의 뇌파를 베터리를 쓰지 않는 초소형 무선 장치로 세밀하게 측정하는 기술이 개발됐다. 치매나 자폐 등 신경질환 연구 및 치료 기술에 새 장이 열릴 전망이다.

27일 KAIST에 따르면 싱가포르 난양공대(NTU) 전자과 소속의 KAIST 신소재공학과 이선우 겸직교수 연구팀이 미국 코넬대 알로이샤 모나(Alyosha Molnar) 교수팀과 공동으로, 머리카락 굵기 정도의 100µm 이하인 초소형 무선 뉴럴 임플란트 ‘MOTE(Micro-Scale Opto-Electronic Tetherless Electrode)’를 개발했다.

KAIST 이선우 겸직 교수(싱가포르 난양공대 전자과 소속, 왼쪽)와 미국 코넬대학교 알로이샤 모나 (Aloysha Molnar) 교수.

연구팀은 이 임플란트를 실험용 생쥐의 뇌에 이식해 1년간 안정적으로 뇌파를 측정하는 데 성공했다.

인간의 뇌에는 약 1천000억 개의 뇌세포가 존재한다. 이들이 주고받는 화학·전기적 신호가 뇌 기능을 만들어 낸다. 그런데 이 같은 뇌 신호를 읽어내기 위한 기술이 뉴럴 임플란트다.

이선우 신소재공학과 교수는 "뇌파를 인체 외부에서 연결선 없이 직접 측정하는 기술은 뇌 연구와 치매나 파킨슨병과 같은 신경질환 치료의 핵심"이라고 강조했다.

기존에도 뉴럴 임플란트가 활용돼 왔지만 두꺼운 유선 구조로 인해 뇌 속에서 염증을 유발하거나, 신호 품질 저하나 발열 등의 문제로 장기적인 사용이 어려웠다.

이를 연구진이 크기를 획기적으로 줄이고, 통신 방식을 무선으로 개선해 해결했다. 연구팀은 이를 위해 기존 반도체 공정(CMOS)을 기반으로 초소형 회로를 제작하고, 자체 개발한 초미세 마이크로 LED(µLED)를 결합해 장치를 극도로 소형화했다. 또한 생체 환경에서도 오래 버틸 수 있도록 특수 표면 코팅을 적용해 내구성을 크게 향상시켰다.

이 같은 과정으로 개발된 MOTE는 두께 100 µm 이하, 부피 1 나노리터 이하로 머리카락이나 소금 알갱이보다 작다. 현재까지 알려진 무선 뉴럴 임플란트 중 가장 작은 수준이다.

MOTE의 또 다른 특징은 배터리가 필요 없는 완전 무선 시스템이라는 점이다. 이 장치는 외부에서 들어오는 빛을 받아 전력을 생성하고 뇌파를 감지한 뒤 그 정보를 펄스 위치 변조(PPM) 방식으로 빛 신호에 실어 다시 외부로 전송하는 구조다.

소금 결정위에 있는 초소형 무선 뉴럴 임플란트(MOTE, 왼쪽)와 실험용 쥐에 이식된지 296일 지난 후의 MOTE 뉴럴 임플란트들.(사진=KAIST)

이 방식은 에너지 소비를 획기적으로 줄이고 발열 위험을 최소화하며 배터리 교체가 필요 없어 장기간 사용이 가능하게 만든다.

연구팀은 초소형 MOTE를 생쥐 뇌에 이식해 1년간 장기 실험을 수행했다. 그 결과, 장기간 정상적으로 뇌파를 측정했고 임플란트 주변에서 염증 반응이 거의 발생하지 않았으며 장치 성능 저하도 관찰되지 않았다.

이선우 교수는 “단순한 소형화·경량화를 넘어, 기존에 가능하리라 예상만 되었던 완전 무선 초소형 임플란트를 실제로 구현한 데 가장 큰 의의가 있다”며, “이를 통해 무선 뉴럴 임플란트 개발과 사용의 과정에서 제기돼 온 알려진 문제 뿐 아니라, 실제 개발 과정에서 새롭게 드러나는 미지의 문제까지 해결할 수 있는 기술적 가능성을 입증했다”고 말했다.

이 교수는 또 “이 기술은 앞으로 뇌과학 연구뿐 아니라 신경계 질환 모니터링, 장기 기록 기반의 치료 기술 개발까지 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.