빛으로 원하는 뇌회로만 골라 자극…초경량 무선 신경조절 플랫폼 개발

국내 연구진이 서로 다른 파장의 적외선을 활용해 원하는 뇌회로를 선택적으로 자극할 수 있는 초경량 무선 신경조절 플랫폼을 개발했다. 복잡한 무선통신 회로 없이 빛만으로 신경자극을 제어하는 방식으로, 향후 신경계 질환 치료기술과 무선 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 개발에 활용될 가능성이 제시됐다.

한국연구재단은 신효근 경북대학교 교수 연구팀이 특정 적외선 파장에 선택적으로 반응하는 광트랜지스터를 적용해 무선 신경조절 플랫폼을 구현했다고 11일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘마이크로시스템즈 앤드 나노엔지니어링’에 지난달 24일 온라인 게재됐다.

논문 제목은 ‘Ultralight infrared-controlled wireless neuromodulation systems for freely behaving mice’다. 신 교수가 교신저자, 차형경 경북대 학석박통합과정생이 제1저자로 참여했다.

신경조절 기술은 우울증, 파킨슨병, 뇌전증 등 신경계 질환 치료와 뇌 기능 연구에 활용된다. 대표적으로 약한 직류 전류로 뇌신경 활동을 조절하는 경두개 직류자극(tDCS), 뇌 깊숙한 부위에 전기자극을 가하는 심부뇌자극(DBS) 등이 있다.

다만 기존 무선 신경조절 장치는 블루투스와 RF 통신, 마이크로컨트롤러 등 통신 회로를 포함해야 해 크기와 무게, 소비전력이 증가하는 한계가 있었다. 특히 행동이 자유로운 실험동물에게 장치를 적용할 때 무게와 부피가 자연스러운 움직임을 방해할 수 있다는 점이 과제로 지적됐다.

연구팀은 이러한 문제를 줄이기 위해 810nm와 950nm 적외선에 각각 반응하는 광트랜지스터를 적용했다. 광학 필터를 더해 두 파장 사이의 광학적 간섭을 억제함으로써, 같은 실험 공간에서도 특정 파장의 적외선 신호에 반응하는 신경조절 장치만 독립적으로 작동하도록 설계했다.

경두개 직류자극 시스템은 배터리를 포함해 약 1.2g, 고정부까지 포함하면 약 1.4g으로 구현됐다. 심부뇌자극 시스템은 0.5g 이하로 제작됐다. 기존 장치에 활용되던 크라운 형태의 고정 구조를 없애 실험동물이 느끼는 물리적 부담을 줄였다는 설명이다.

연구팀은 장시간 적외선을 조사해도 온도 상승이 거의 발생하지 않아 열에 따른 생체 영향이 미미한 수준임을 확인했다. 실험 공간 전체에 적외선을 고르게 조사하는 환경을 구축해 생쥐의 위치 변화와 관계없이 안정적인 무선 제어가 가능하다는 점도 검증했다.

자유롭게 움직이는 생쥐를 대상으로 한 실험에서는 장치 착용과 적외선 조사 모두 이동거리와 운동속도에 유의미한 영향을 주지 않았다. 연구진은 이어 생쥐의 운동피질(M2)을 자극해 자극 위치와 방식에 따라 서로 다른 회전 행동을 유도했고, 이를 통해 실제 뇌회로를 선택적으로 조절할 수 있음을 확인했다.

신효근 교수는 “복잡한 무선통신 회로 없이 적외선만으로 원하는 뇌회로를 선택적으로 조절할 수 있는 초경량 플랫폼을 구현했다는 데 의미가 있다”며 “다양한 신경계 질환 연구와 차세대 무선 신경조절, 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구팀은 향후 다중 파장 기반 다채널 신경조절 시스템으로 기술을 확장해 여러 뇌 영역을 독립적으로 제어하는 방안을 연구할 계획이다.