뇌 표적 영역에서 냉각과 가열을 이용한 양방향 정밀 자극 기술 구현

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 뇌 질환 치료 기술 개발 새로운 가능성 제시

  ▲ (사진 좌측부터) 고려대 의대 융합의학교실 조일주 교수, 의과학과 박사과정 조이아 나움키나(NAUMKINA JOIA)

     고려대학교 의과대학 조일주 교수 연구팀이 온도를 이용해 뇌 활동을 양방향으로 조절하는 새로운 뇌 임플란트를 개발해 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 뇌 질환 치료 기술 개발 새로운 가능성 제시했다.

현재 사용되는 뇌 자극 기술은 전기, 자기, 광, 초음파, 화학 자극 등이 대표적이다. 그러나 대부분 신경 활동을 활성화하거나 억제하는 단일 방향의 조절에 초점을 맞추고 있어 정밀한 신경 회로 제어에는 한계가 있었다.

반면 온도는 신경세포 활동을 증가시키거나 감소시킬 수 있는 생리학적 인자로, 하나의 자극 방식만으로 활성화와 억제를 모두 구현할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 깊은 뇌 영역에 국소적으로 냉각과 가열을 전달할 수 있는 기술적 어려움으로 인해 활용이 제한적이었다.

연구팀은 신경 회로 제어 및 온도 활용의 한계를 극복한 반면 장점을 활용해 열전소자(Peltier device)와 실리콘 기반 뉴럴 프로브를 결합한 초소형 뇌 임플란트를 개발했다. 이 장치는 양방향으로 뇌 깊은 영역에 삽입돼 국소적으로 온도를 높이거나 낮출 수 있으며, 냉각과 가열을 모두 구현할 수 있는 것이 특징이다. 또한 전극 어레이를 함께 통합해 온도 자극과 신경 신호 기록을 동시에 수행할 수 있다.

연구팀은 실험을 통해 냉각 자극은 신경 활동을 효과적으로 억제하고 가열 자극은 신경 활동을 증가시키는 것을 확인했으며, 특히 뇌의 각성과 주의 조절에 관여하는 청반(locus coeruleus, LC) 영역에서 신경 활동 변화와 함께 동공 크기의 수축 및 확장도 유도할 수 있음을 확인했다.

이번 기술은 차세대 양방향 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain–Computer Interface,이하 BCI) 구현에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 현재의 BCI가 주로 뇌 신호를 읽어 외부 기기를 제어하는 데 초점을 맞추고 있다면, 향후에는 촉각이나 감각 정보를 뇌에 전달하는 기능이 중요해질 것으로 예상된다. 이번에 개발된 기술은 특정 신경 회로를 활성화하거나 억제할 수 있어 감각 피드백을 제공하는 양방향 BCI와 폐쇄루프(closed-loop) 신경조절 시스템의 핵심 기술로 활용될 가능성을 보여줬다.

연구 책임자 조일주 교수는 “이번 연구는 하나의 장치에서 신경 활동의 활성화와 억제를 모두 구현할 수 있는 새로운 개념의 뇌 인터페이스 기술”이라며 “향후 양방향 BCI, 신경 기능 복원, 그리고 기존 치료법으로는 접근이 어려웠던 다양한 신경계 및 퇴행성 뇌 질환 치료 기술 개발에 기여할 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’ (IF=14.1)에 ‘신경 신호 측정용 전극이 통합된 소형 양방향 열 자극 시스템 (Miniaturized Bidirectional Thermal Stimulation System Integrated with An Electrode Array for Recording Neural Activities)’ 이라는 제목으로 게재됐다.