▲ 하이드로젤 기반 하이브리드 뇌-기계 인터페이스 개요 및 제작과정

국내 연구진이 뇌 구조 연구와 뇌 신경 질환의 메커니즘 파악 및 치료를 위한 실시간 측정을 할 수 있는 하이드로젤 기반 유연성 ‘뇌 모사형 신경 인터페이스’를 개발했다.

KAIST는 바이오및뇌공학과 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 젤 리가 합쳐진 합성어이며 주로 필러, 보톡스, 화장품 등에 쓰이는 반고체상태의 물질이다. 인공적인 인체조직을 만드는 원료로 적합해 의학적으로 널리쓰인다.

기존의 신경 인터페이스는 기계적, 화학적 특성이 뇌 조직과 너무 달라 일어나는 이물 반응 때문에 주변 절연세포층이 형성돼 그 수명이 매우 짧아진다는 문제점을 가지고 있었다.

연구팀은 해당 문제해결을 위해 직접 제작한 다기능성 파이버다발을 하이드로젤 몸체에 넣는 방법을 이용, 뇌 모사형 신경 인터페이스를 제작했다. 해당 장치는 빛으로 특정 신경세포종만을 자극할 수 있는 광유전학 기술을 적용하기 위한 광섬유 뿐 아니라 뇌에서 신호를 읽을 수 있는 전극다발, 약물을 뇌 속으로 전달할 수 있는 미세 유체 채널을 모두 보유하고 있다.

해당 인터페이스는 하이드로젤 몸체를 건조시킨 상태에서는 단단한 성질이 고분자와 유사해 몸체에 삽입하기 쉽다. 하지만 몸에 들어가면 체내 수분을 빠르게 흡수, 부드럽고 수분이 풍부한 주변 조직과 유사한 상태가 되어 이물반응이 최소화된다.

연구팀은 이러한 특성을 가진 장치를 동물모델에 직접 적용해, 기존의 기록을 훨씬 넘는 6개월까지 뇌신호 측정이 가능함을 확인했다. 또 자유롭게 움직이는 쥐를 대상으로 초장기간 광유전학 실험, 행동실험과 이물반응에 의한 아교세포 및 면역세포의 발현이 기존 장치보다 현저히 줄어듦을 증명했다.

박성준 교수는 “이번 연구는 최초로 하이드로젤을 다기능 신경 인터페이스의 구성물질로 사용해 그 수명을 대폭 상승시켰다는데 의의가 있다”며 “해당 연구를 통해 향후 알츠하이머, 파킨슨 병 등 초장기관 관찰이 필요한 뇌 신경 질환 연구가 더욱 발전할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

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