무선 충전 가능한 뇌 이식 광유전학 기기 개발

의대 김정훈 교수(생리학)

[사진. 의대 김정훈 교수(생리학), 구민정 학생]

의대 김정훈 교수(생리학)와 KAIST 정재웅 교수 공동 연구팀이 쥐의 뇌에 이식한 후에도 배터리 교체 없이 무선 충전이 가능해 장기간 뇌 신경회로 연구에 사용할 수 있는 완전이식형 무선 광유전학 기기를 개발했다.

의대 의과학과 구민정 학생과 KAIST 전기및전자공학부 김충연 학생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 12.121)’에 게재됐다.

광유전학은 빛을 이용해 특정 신경세포만을 선택적으로 제어할 수 있다는 점에서, 뇌기능 연구와 뇌질환 치료 분야에서 새롭게 주목받고 있다.

기존 광유전학 바탕의 기기는 외부기기와 연결된 광섬유를 통해 빛을 전달하거나, 무선일지라도 외부 장비로부터 무선 전력 공급을 받아야 하거나, 혹은 주기적인 배터리 교체가 필요했다. 이러한 기존 방법들은 자유로운 움직임과 독립적 조절이 필요한 동물실험에 제약이 생기는 한계가 있었다. 

연구팀은 이 같은 난점을 극복하고자 배터리의 무선 충전과, 스마트폰 앱을 통한 디바이스의 무선 제어를 가능하게 만드는 회로를 개발해 마이크로 LED 기반의 탐침과 결합시켰다. 이 기기를 쥐의 두피 안으로 완전히 이식하고, 쥐가 자유롭게 움직이는 상태에서 배터리가 자동으로 무선 충전될 수 있음을 확인했다.

또한 이 기기를 이식받은 쥐에게 중독성 약물인 코카인을 반복적으로 준 후, 특정 뇌 부위에 빛을 전달해 코카인으로 인한 행동민감화 발현을 억제함으로써, 무선 충전 및 무선 조절 광유전학 기기를 통해 중독과 같이 고등한 수준의 뇌 인지 기능이 요구되는 행동을 제어할 수 있는 가능성을 제시했다.

김정훈 교수는 “이번에 개발된 디바이스를 통해 장기간에 걸친 뇌 기능 연구를 위한 동물 실험이 가능해졌으며, 향후 많은 보완을 통해 인체에 적용된다면 정신질환 및 퇴행성 뇌 질환 치료에도 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 과학기술분야 기초연구사업인 기초연구실지원사업의 지원을 통해 수행됐다.