광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 이종호 기계공학부 교수와 김태 의생명공학과 교수팀이 공동으로 인체삽입형 태양전지로 뇌 삽입형 발광다이오드(LED) 소자를 구동해 빛으로 뇌를 조절하는 웨어러블 광유전학 디바이스를 개발했다고 23일 밝혔다.
광유전학은 빛을 이용해 1000분의 1초 수준 시간 해상도로 신경세포 활성을 조절하는 최신 뇌과학 방법론이다. 뇌 활동 세포인 뉴런에 광반응성 이종 단백질을 발현해 빛의 유무에 따라 뉴런을 켜고 끌 수 있는 획기적인 기술로 뇌과학 분야에서 정밀 신경조절 방법으로 급부상하고 있다. 하지만 광유전학을 적용하는 방식은 무선 또는 전원 공급을 위한 플랫폼에서만 작동하는 한계가 있었다.
연구팀은 피하에 삽입된 상태에서 충분한 전력 생산이 가능한 근적외선 기반 무선 전력 발생 디바이스를 설계 제작했다.
소형 태양 전지 소자를 배열해 유연성을 높인 전원부를 피하 조직에 이식하고 피부 침투 효율이 가장 높은 근적외선(NIR)을 이용해 전력을 발생할 수 있는 시스템을 구현했다. 뇌에 삽입된 발광부는 전력에 의해 특정 주파수로 점멸하는 빛을 발생시킴으로써 광유전학적 뇌조절이 가능해졌다.
생쥐 수염 동작 실험을 통해 웨어러블 광유전학 디바이스가 생체 내에서 성공적으로 작동한다는 것을 규명했다. 수분 및 연동운동이 존재하는 체내 환경에서도 안정적으로 작동하도록 디바이스 설계 변경과 동물 모델 검증을 완성했다.
이번 연구 성과는 광유전학 치료법 개발 주요 난제 가운데 하나인 지속가능한 광원 개발 문제에 대한 해결책을 제시한 것으로 평가된다.
김태 교수는 “공학과 뇌과학 전문가가 함께 이뤄낸 융합 연구로 정밀 뇌조절을 통한 뇌과학 연구뿐만 아니라 신경정신과학적 질환 치료를 위한 임상 활용까지 기대한다”고 말했다.
이종호·김태 교수가 주도하고 정진모·정지은 박사과정(공동 제1저자)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단 개인 기초 연구 사업 (중견), 기초 연구실 사업, 선도 연구 센터 지원 사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 바이오테크놀로지 분야의 최고 권위 학술지 '바이오센서&바이오일렉트로닉스' 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
