KAIST, 초장기간 뇌 삽입 칩 개발

KAIST-한양대 공동 개발

국내 연구진이 뇌에 칩을 삽입해 뇌 신호를 전달받을 수 있는 삽입형 신경 인터페이스를 1년 이상 사용할 수 있게 개발했다.

최근 인공지능(AI) 기술이 발전하면서 뇌와 기계를 연결해 장애인도 의사소통을 할 수 있는 뇌-기계 인터페이스(BCI, Brain Computer Interface) 기술이 주목받고 있다. 정확한 뇌 신호를 수집하려면 뇌에 직접 칩을 삽입하는 침습형 방식이 가장 적합하지만 삽입한 칩을 얼마나 사용하고 추후 처리할 수 있는지가 걸림돌이었다. 이번 연구 결과는 이러한 BCI 기술을 비롯해 뇌 지도, 질환 연구 및 치료에 발전을 가져올 것으로 기대하고 있다. 

KAIST(한국과학기술원)은 박성준 바이오및뇌공학과 교수 연구팀과 최창순 한양대바이오메디컬공학과 교수 연구팀이 열 인발공정(Thermal Drawing Process, TDP)과 탄소나노튜브 시트를 병합해 장기간 사용 가능한 다기능성 섬유형 신경 인터페이스를 개발했다고 24일 밝혔다. 열 인발공정은 열을 가해 큰 구조체의 복잡한 구조체를 빠른 속도로 당겨 같은 모양 및 기능을 갖춘 섬유를 뽑아내는 거나 가공하는 것을 뜻한다.

뇌신경 시스템 탐구를 위한 삽입형 인터페이스는 생체 시스템 면역 반응을 줄이기 위해 생체 친화적이며 부드러운 물질을 사용하면서 다양한 기능을 병합하는 방향으로 발전해 왔다. 하지만 기존 재료와 제작 방법으로는 다양한 기능을 구현할 수 있으면서 장기간 사용가능한 디바이스를 만들기 어려웠다. 특히 탄소 기반 전극의 경우 제조 및 병합 과정이 복잡하고 금속 전극에 비해 기능적 수행 능력이 떨어진다는 문제점이 있었다.

연구팀은 탄소나노튜브 시트 전극과 고분자 광섬유를 병합해 문제를 해결했다. 탄소나노튜브 섬유가 한 방향으로 배열된 탄소나노튜브 시트 전극을 통해 신경세포 활동을 효과적으로 기록했다. 이를 광 전달을 담당하는 고분자 광섬유에 감아 머리카락 크기의 다기능 섬유로 제작했다. 연구팀은 “제작된 섬유가 우수한 전기적, 광학적, 기계적 성질을 보이는 것을 확인했다”고 설명했다. 

해당 뇌-기계 인터페이스를 실제 쥐 모델에 삽입한 결과, 전기적 신경 활성신호, 화학적 신경전달물질(도파민)을 잘 측정하고 광유전학적 조절을 통해 행동학적 산출을 이끌어낼 수 있음을 확인했다. 또 연구팀은 1년 이상 광학적으로 발화된 신경 신호와 자발적으로 발화된 신경 신호를 측정함으로 초장기간 사용 가능성도 보여줬다.

박성준 교수는 "전기적 신경 활성신호와 화학적 신경전달물질 기록 및 광학적 조절 기능을 갖춘 초장기간 사용가능한 차세대 신경 인터페이스의 개발 성과ˮ라며 "향후 대동물 적용 및 자기공명영상 장비와 동시 사용을 통해 뇌 질환의 세부적인 메커니즘 파악과 전뇌적(Whole brain) 기록 및 조절 분야에 사용될 수 있을 것ˮ 이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 나노및소재기술개발사업, 경찰청 미래치안도전기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구(Structurally Aligned Multifunctional neural Probe (SAMP) using forest-drawn CNT sheet onto thermally drawn polymer fiber for long-term in vivo operation)는 국제 학술지 `어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)'에 지난달 29일 게재됐다.