칩 하나로 생쥐 조종…행동·뇌신호 실시간 모니터링도

고려대 조일주 교수팀, ‘초소형 무선 뇌 이식 장치’ 개발
“스마트폰 앱 조작 통해 뇌에 약물 전달…뇌신호 측정”
“뇌질환 메커니즘 규명·치료제 개발에 유용한 도구될 것”

약물 전달와 뇌신호 측정이 동시에 가능한 무선 다목적 브레인칩과 이를 장착한 생쥐 사진. 고려대 의대 제공

칩 하나로 생쥐의 뇌를 제어하고 행동과 뇌신호를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 기술을 국내 연구팀이 개발했다.

이를 통해 자유롭게 행동하는 동물에서 약물 전달과 동시에 뇌신호 측정이 가능해져 뇌질환 메커니즘 규명과 치료제 개발에 유용할 것이라고 연구팀은 기대하고 있다.

고려대 의대 의과학과 조일주 교수팀은 스마트폰 앱 조작을 통해 자유롭게 움직이는 생쥐의 뇌 안에 약물을 정밀하게 투여해 행동을 제어하고, 이에 반응하는 뇌 신호를 실시간 모니터링 할 수 있는 초소형 무선 뇌 이식 장치를 개발했다고 27일 밝혔다.

이번 연구는 공동 제1저자인 신효근 박사, 윤유상 박사, 교신 저자 조일주 교수가 주도했다. 

시스템이 장착된 생쥐에 스마트폰 앱으로 실시간 약물 투여 및 무선 뇌신호 모니터링에 관한 이해도. 고려대 의대 제공

연구팀은 정밀한 투여량 조절이 가능한 초소형 펌프를 개발, 미소 유체 채널이 형성된 0.1mm 크기의 브레인칩에 연결했다. 브레인칩에는 뇌신호 측정용 전극이 집적돼 있어 약물에 반응하는 뇌신호 정밀 측정을 가능하게 했다.

또한 행동하는 도중에도 스마트폰 앱을 통해 약물 투여를 무선으로 제어하고 무선 연결된 노트북에서 실시간으로 뇌신호를 기록하는 데 성공했다. 이를 통해 자유롭게 움직이는 상태에서도 약물을 투여하고 이에 반응하는 뇌 신호를 읽을 수 있는 무선 브레인칩을 구현했다. 

이와 함께 4.6g이라는 초경량 시스템 설계로 생쥐와 같은 소형 동물들에도 행동 제약을 주지 않고 시스템 간에 신호 간섭이 없는 블루투스 무선통신을 적용해 여러 마리 동물의 뇌에 동시 약물 투여 및 뇌신호 읽기가 가능해졌다.

연구팀은 실험을 통해 개발한 시스템을 통해 생쥐의 뇌에 다양한 약물을 투여해 실시간으로 반복 행동을 유도하거나 식욕 억제가 가능함을 보여줬으며, 이때 변화하는 뇌신호를 성공적으로 관찰했다. 공복 상태의 두 마리 생쥐에게 시스템을 장착하고 먹이 경쟁 실험을 진행했다. 

그 결과, 식욕을 억제하는 약물을 뇌 안에 투입하기 전에는 생쥐들 모두 격렬하게 먹이 쟁탈전을 벌인 반면 한 마리 생쥐에 식욕 억제 약물을 투입한 이후에는 먹이 쟁탈전 없이 투입하지 않은 생쥐가 먹이를 독차지했다.

더 이상 경쟁없이 먹이를 차지할 수 있다는 것을 인식한 생쥐에서 사회성과 연관된 뇌 영역의 활동이 점차 약해짐을 관찰했다. 즉, 경쟁자가 주위에 있어도 경쟁에 참여하지 않으면 경쟁자로 인식하지 않는다는 새로운 사실을 밝혀낸 것이다.

무선 다목적 브레인칩 개략도 및 각각의 기능. 고려대 의대 제공

연구책임자인 조일주 교수는 “이번에 개발한 브레인칩은 자유롭게 행동하는 동물에서 약물 전달과 동시에 뇌신호 측정이 가능해져 뇌질환 치료제의 효과를 다각도로 분석할 수 있다”며 “뇌질환 메커니즘 규명과 치료제 개발에 매우 유용한 도구가 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제학술지인 네이처의 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 온라인판에 21일자로 게재됐다.

한편, 이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단과 과학기술정보통신부·한국연구재단 뇌기능규명‧조절기술개발사업 등의 지원으로 수행됐다. 

이승구 온라인 뉴스 기자 [e-mail]