한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 이현주 전기 및 전자공학부 교수가 김정연 한국뇌연구원 박사팀과 함께 소형 동물을 대상으로 초음파 뇌 자극과 뇌파 측정이 동시에 가능한 초소형 시스템을 개발했다고 9일 밝혔다.
연구팀은 비 급속 안구 운동(NREM) 수면 시 정신기능을 담당하는 전전두엽(PFC)을 실시간으로 자극해 수면 및 단기 기억력 조절이 가능함을 밝혔다.
개발 시스템은 기존 마취가 필요했던 시스템과 달리 자유롭게 행동하는 쥐를 대상으로 장기간 자극과 측정을 할 수 있다. 미세 전자 기계 시스템(MEMS)의 실리콘 공정을 활용해 초소형으로 제작할 수 있고 대량생산도 가능하다. 여러 뇌 질환에 대한 초음파 뇌 자극 효과를 평가할 수 있을 것으로 기대된다.
기존 신경 자극 기술은 달리 초음파는 수술 없이 뇌 심부 작은 영역까지도 자극할 수 있다. 최근 저강도 집속 초음파 기술 치료 효과 연구가 활발한데, 초음파를 뇌 또는 인체에 조사했더니, 알츠하이머병, 파킨슨병, 간질, 비만, 관절염 등이 호전되는 연구들이 다수 발표되고 있다.
신경 자극 효능 확인 방법으로는 체 내 신호 측정과 행동 관찰을 들 수 있다. 그러나 이를 질병 모델이 많은 소형 동물에서 구현하기는 쉽지 않다.
기존 초음파 자극 기술은 부피가 커 움직이는 생쥐에 사용할 수 없거나 작동 시 생기는 잡음 신호로 동시 전기 생리 신호 측정이 어렵다.
연구팀은 그간 문제를 해결하기 위해 MEMS 기반 초소형 초음파 소자(CMUT) 연구를 지속해 수행해 왔는데, 이번 연구에서 뇌파 신호 측정 및 실시간 수면 분석 기술을 접목, 뇌 현재 상태에 따라 자극을 주는 맞춤형, 폐루프 자극 시스템을 개발했다.
폐루프 자극 알고리즘은 6초 단위로 수면 단계를 실시간으로 분석해 (NREM) 수면 단계일 때 초음파 자극을 전달한다. 잡음 신호 없이 자극과 측정이 동시에 가능하다. NREM 상태 시 10시간 동안 수면 박탈 쥐의 전전두엽을 자극한 결과, 단기 공간 기억력이 보호되고 급속 안구 운동(REM) 수면량이 증가함을 보였다.
연구팀은 현재 이 신기술을 고도화하기 위해 뇌 단일 영역의 매우 작은 부위를 자극할 수 있는 후속 시스템을 개발하고 있다. 수술 없이 비침습적으로 수면 질환, 알츠하이머병, 파킨슨병 등의 뇌 질환 치료의 길이 열릴 것으로 기대하고 있다.
이현주 교수는 “초음파는 태아 영상화에도 활용될 만큼 안전한 인체 조사 기술로 인체 내부 깊숙이 전달, 집중 조사가 가능해 치료를 위한 비수술적 인체 조사 기술로 매우 매력적”이라며 “개발 시스템을 많은 뇌과학 연구팀이 활용해 초음파의 다양한 치료 효과를 밝혀낼 수 있기를 바란다”고 전했다.
이현주 교수팀의 조예현 박사과정, 김정연 한국뇌연구원 박사팀이 주도하고 김성기 기초과학연구원(IBS) 단장, 이병철 한국과학기술연구원(KIST) 박사, 서성배 KAIST 생명과학과 교수가 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스' 10월 19일 자에 게재됐다. 출판사 와일리의 리서치 헤드라인 논문으로 선정돼, 이현주 교수와 김정연 박사 인터뷰가 어드밴스드 사이언스 뉴스에 11월 1일 실렸다.
한편 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 차세대지능형반도체 사업의 지원으로 수행됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
