고려대 의대·경북대 전자공학부 연구팀 발표 정밀한 조절 어렵던 기존 뇌 전기자극 개선 밀리미터 범위 뇌신경 세포 활성화·억제 시스템 개발 동물실험으로 효용성 확인…선택적 자극으로 움직임 제어 신경 퇴행성 치료 가능성…파킨슨병 증상 ‘운동저하’ 개선
비침습 뇌 제어기(왼쪽)를 쥐의 머리에 장착한 모습. 고려의료원
간편하게 머리에 붙이는 형태로 뇌를 정밀하게 자극해 뇌 기능을 조절하는 내용의 광유전학 기반 시스템이 개발됐다.
6일 고려대학교 의과대학 융합의학교실 조일주 교수 연구팀과 경북대학교IT대학 전자공학부 신효근 교수 연구팀은 이같은 연구결과를 담은 ‘여러 뇌 영역에서 정확한 양방향 신경 조절을 위한 경두개 광유전적 뇌 자극기(Transcranialoptogeneticbrainmodulatorforprecisebimodalneuromodulationinmultiplebrainregions)’ 논문이 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(NatureCommunications)’에 게재됐다고 밝혔다.
기존 비침습 뇌 전기자극 기술은 자극 범위가 넓고 정밀한 조절이 어려워 치료 효과에 한계가 있었다. 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 광민감 단백질(opsins)과 상향변환입자(upconversionparticle)를 활용해 밀리미터 범위 내의 뇌 영역에서 신경 세포를 활성화하거나 억제하는 시스템을 개발했다.
적색광으로 신경을 활성화(ReaChR)하고, 근적외선(NIR)을 통해 신경 활동을 억제(stGtACR2)할 수 있는 양방향 조절 방식을 구현했다. 또 초소형 무선 광전자 장치를 개발해 실험동물이 자유롭게 움직이는 상태에서도 휴대폰으로 다중 뇌 부위의 정밀한 신경 조절을 가능하게 했다.
연구팀은 다양한 동물 실험을 통해 이 기술의 효용성을 확인했다. 실험에서 개발된 기술은 동물의 움직임을 정밀하게 제어하고, 특정 행동을 유도하거나 억제할 수 있다. 예를 들어, 뇌의 운동 영역(M2)과 상구 영역(SC)을 선택적으로 자극해 동물의 움직임을 휴대폰으로 제어하는 식이다.
또 뇌의 중간 전두피질(mPFC)을 자극해 경쟁의지를 높이거나 경쟁을 피하게 유도해 인위적으로 경쟁에서 이기거나 지게 만들 수 있었다. 이 과정에서 두 개의 서로 다른 광민감 단백질을 활용해 하나의 뇌 영역에서 신경을 활성화하거나 억제하는 ‘양방향 광유전학 조절’이 가능함을 파악했다.
이번 기술은 신경 퇴행성 질환 치료 가능성에 중요한 진전을 보였다. 연구팀은 파킨슨병 동물 모델에서 운동 능력 회복을 목표로 기술을 적용했다. 운동 영역(M2)과 중간선조체(dmST)에 각각 광민감 단백질과 상향변환 입자를 주입한 후, 적색광과 근적외선을 이용해 해당 부위의 신경을 활성화했다.
그 결과 머리에 붙이는 형태의 뇌 자극기를 이용해 파킨슨병 증상인 운동 저하가 개선됐음을 밝혔다. 기존에는 뇌에 전극을 심어 파킨슨병과 떨림을 치료하는 뇌심부 자극술이 주로 사용됐으나, 이번 연구는 머리에 부착하는 형태의 안전한 시스템으로 이를 대체할 가능성을 입증했다.
조일주 교수는 “이번 연구는 비침습적으로 안전하게 뇌를 정밀 자극해 뇌 기능 개선과 뇌 질환 치료의 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다”라며, “향후 이 기술이 다양한 뇌 기능 연구와 치료에 활용될 것으로 기대한다”라고 말했다.
