연세대는 유기준 전기전자공학부 교수(연세-KIST융합연구원), 이종은 의과대학 해부학교실 교수, 조영욱 인천대 바이오-로봇 시스템공학과 교수로 구성된 공동 연구팀이 금속을 전혀 사용하지 않은 투명한 뇌신경 인터페이스 시스템을 개발했다고 12일 밝혔다.

이 장치는 생쥐의 뇌에 직접 이식해 뇌파를 측정하면서 동시에 뇌세포의 활동을 고해상도로 촬영할 수 있는 이광자 이미징 기술이 결합된 뉴럴 인터페이스다.

기존의 금속 전극은 빛을 반사하거나 왜곡시키는 특성으로 인해 광학 장비와 함께 사용하기 어려웠다. 이번 기술은 이러한 한계를 극복, 전기 신호 측정과 광 기반 영상 기술을 하나의 장치에서 동시에 구현했다.

연구팀은 PEDOT:PSS라는 투명 고분자 전도체를 사용해 전극과 배선 모두를 투명하게 구성한 뉴럴 인터페이스를 개발했다. 여기에 FPE 후처리 공정을 적용해 PEDOT:PSS의 구조와 전도성을 동시에 최적화했다.

그 결과 20μm² 크기의 미세 전극에서 1kHz 기준 45.8kΩ이라는 세계 최저 수준의 임피던스를 구현해 기존 금속 없는 투명 전극 기술 대비 비약적인 성능 향상을 이뤄냈다.

연구팀은 해당 전극 어레이를 생쥐의 대뇌 피질에 이식해 이광자 이미징 환경에서 실제 신경 활동 신호인 Local Field Potential(LFP) 및 Spike 신호를 광자극 유도 잡음 없이 안정적으로 기록함으로 기술의 유효성을 실험적으로 입증했다.

또 면역형광 염색 분석을 통해 미세아교세포 및 성상교세포의 반응이 낮은 수준으로 유지됨을 확인해 장기간 이식 환경에서도 우수한 생체 적합성을 확보했음이 입증됐다.이광자 이미징 환경에서도 안정적인 전기생리 신호를 측정할 수 있는 단일 인터페이스 기술이다.

유기준 연세대 교수는 “이번 연구는 투명도, 전도도, 유연성, 생체 적합성이라는 상충되는 요구 조건을 동시에 만족시킨 기술”이라며 “신경계 신호의 정밀 기록과 시각화가 필요한 신경과학, 바이오일렉트로닉스, 광유전학, 이식형 의료기기 등 다양한 분야에서 널리 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

연구 결과는 국제 융합 연구 분야 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 지난 4월 29일 게재됐다.