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유기준 교수팀, 플렉시블하고 폴더블한 3차원 뇌신경 인터페이스 전극 시스템 세계 최초 개발

팝업 형태의 디바이스 변형을 통해 뇌 표면 및 피질 내부 파형을 기록할 수 있는 3차원 신경 인터페이스 제작 및 파형 분석

27일 네이처 자매지 npj 플렉시블 일렉트로닉스(npj flexible electronics, IF 12.019) 게재

[사진. (왼쪽부터) 유기준 교수, 고려대 조일주 교수]

공과대학 전기전자공학과 유기준 교수 연구팀(이하 ‘연구팀’)은 고려대 의과대학 조일주 교수 연구팀과의 협업 연구를 통해 폴더블하고 유연한 3D 구조의 신경 인터페이스 소자를 세계 최초로 개발했다. 이를 뇌 조직의 손상을 최소화하면서 임플란트해 뇌 표면과 피질 내부에서 나오는 뇌파를 동시에 측정하고 이 둘 사이의 연관성 규명에 대한 가능성을 최초로 제시했다.

기존 실리콘 기반 소자와 비교해 월등히 좋은 뇌 조직/디바이스 간 기계적 교합성을 가진 해당 뇌파 측정용 3차원 전극은 뇌의 표면에서 발생하는 생체신호와 뇌 피질 내부에서 발생한 생체신호를 각 조직에 분포된 다채널 전극을 통해 효과적으로 기록했으며, 연구팀은 이를 통해 뇌의 층마다 가지고 있는 신경 분포 및 3차원 신경 신호 전달 기전을 확인하는 데 성공했다. 

수십조 개의 복잡한 신경망으로 구성된 인간의 뇌를 분석하고, 여러 신경 질환을 극복하기 위한 노력은 끊임없이 이어져 왔다. 특히, 생체 삽입형 전극 어레이를 통한 신경계 활동을 진단하거나 치료할 수 있는 기술은 차세대 뇌-기계 인터페이스(Brain-machine interface) 및 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-computer interface)의 발전의 초석이 되는 연구로서 세간의 관심이 집중되고 있다. 초창기에 개발된 생체 삽입형 디바이스는 삽입 시 뇌 조직과 유사한 물리적 탄성계수를 지닌 유연한 물질로 제작되지 않았기 때문에 장기적으로 사용될 수 있는 체내 진단용 의료기기로서 부적합했다. 따라서 생체 삽입형 디바이스에 있어 임플란트 환경과 유사한 물리적 성질을 지니는 유연한 소재로 뇌 손상을 최소한으로 유지하는 것이 중요한 이슈로 대두됐다.

이러한 이유로 유연한 고분자 기판을 활용한 뇌 표면 부착 형태의 피질전도(Electrocorticography, ECoG), 탐침형 전극(Michigan Probe) 형태의 신경 인터페이스 제작에 관한 연구가 활발히 이뤄져 왔다. 두 가지 형태의 디바이스는 각각 뇌의 표면 및 심부에 임플란트돼 국소적으로 발생하는 뉴럴 전기 신호를 기록하고 뇌 병변 등의 진단 및 치료에 적극적으로 활용됐다. 해당 기술은 기계적 부적합에 의한 뇌 조직 내의 면역반응을 최소화할 수 있는 물질로 이루어진 디바이스이기 때문에 아교세포의 전극 인캡슐레이션에 의한 디바이스 성능 저하를 효과적으로 막으며 장기적인 신경 신호 측정이 가능하다. 그러나 두 형태 모두 디바이스의 제한적인 구조상 뇌에 직접적으로 부착 혹은 탐침된 부위에서 발생하는 ‘평면적인’ 신경 활동을 국소적으로 기록한다는 한계가 있다.

본 연구는 최종적으로 진단하고 치료하고자 하는 뇌의 신경 활동 및 그 구조가 3차원적으로 복잡하게 얽혀 있다는 점에 착안, 기존의 2차원적인 신경 인터페이스 구조를 3차원으로 확장하는 방식을 채택했다. 본 방식의 획기적인 차별성은, 디바이스의 크기와 상관없이 뇌 표면의 활동과 뇌 안쪽에서 근원하는 신경 활동의 연관성을 유추하는 데 최적화된 플랫폼이라는 점이다. 이는 대면적으로 3차원적인 신경 활동을 진단함으로써 현재까지 알 수 없었던 인간의 인지 기능 발현 및 질병의 원인 등을 실시간 진단이 불가능한 자기공명 영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI) 혹은 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography, CT)을 넘어서 3차원적 뇌 구조를 정확하게 전기생리학적으로 분석할 수 있음을 의미한다. 

또한 여러 시뮬레이션을 통해 정교하게 설계된 이 신경 인터페이스는 기존에 연구되던 디바이스와 달리 팝업 구조를 통해 2차원 형태의 평면 구조에서 3차원으로 자연스럽게 확장되는 공정 방식이 채택됐다. 먼저 이미 당겨진 형태의 탄성 기판에 2차원 평면 형태의 전극 패터닝이 진행된 디바이스를 부착한다. 다음으로 이미 당겨진 탄성 기판이 제자리 형태를 갖출 때, 뇌 심부로 들어가게 될 탐침 부분의 전극이 문의 경첩처럼 위쪽으로 힘을 받아 접히면서 양면의 신경 신호 기록 전극을 가진 4개의 탐침형 전극으로 재탄생한다.

해당 디바이스가 뇌의 표면과 심부에서 나오는 신경 신호를 측정할 수 있는지를 알아보기 위해 연구팀은 인간의 손과 같이 사물 감각 기능을 수반하고 있는 쥐의 수염을 일정 방향으로 자극하면서 관찰되는 뇌 표면 및 피질 내부 감각피질 층별 활동전위를 동시에 기록했다. 실험 결과, 임의의 수염 자극이 감각피질에서 국 부장 전위(Local Field Potential, LFP)의 파형 세기를 증가시키고, 잇따른 뇌 감각피질에서 단일 활동전위 신호(Single Spike)를 발생시키는 것을 위 디바이스로 확인할 수 있었다.

이 새로운 형태의 디바이스는 그동안 난제로 여겨졌던 신경성 뇌 질환 및 인지 기능 등의 인간의 생명활동 메커니즘을 보다 차별화된 3차원 구조 접근 방식으로 진단할 수 있다는 점에서 주목할 가치가 있다. 사물 감각을 통한 뇌파 발현과 더불어 복잡한 신경회로의 연결성을 국부적으로 기록할 수 있었던 기존 연구를 3차원으로 확장한 이번 디바이스 형태는 신경과학 분야에서 그동안 물음표로 존재하던 뇌의 기전 연구들에 대한 해결책을 제시할 수 있을 것으로 예상된다.

유기준 교수는 “이번 연구는 기존에 볼 수 없었던 플렉시블하고 폴더블한 3차원 뇌 신경 인터페이스를 통해 세계 최초로 뇌의 표면 신호와 심부 신호의 연관성 규명을 가능케 한 업적”이라며 “우리나라 신경과학 기반 연구의 학술적 발전 및 의공학 기술 발달 및 각종 신경 질환을 앓고 있는 환자의 삶의 질 향상 및 관련 사회 문제 해결에도 일조할 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 전했다.

또한 고려대 조일주 교수는 “현재 나온 기초적인 플랫폼은 대면적 3차원 신경 인터페이스 및 고밀도 신경 인터페이스, 생분해성 3차원 삽입형 디바이스 개발 등 무궁무진한 연구 방향을 제시할 수 있는 기초 성과”라며 “앞서 말한 전기생리학적 방식 외에 또 다른 모덜리티와 결합할 수 있는 새로운 형태의 삽입형 디바이스 개발도 고려 중”이라고 밝혔다.

본 연구는 우리 대학교 이주영 연구원, 박상훈 연구원, 김유진 연구원, 조영욱 연구원이 제1주저자로, 유기준 교수와 고려대 조일주 교수가 교신저자로 참여한 바이오/전기전자공학 융합 연구이다. 10월 27일 전자공학 분야 최상위지이자 네이처 자매지인 ‘npj 플렉시블 일렉트로닉스 (npj flexible electronics, IF 12.019)’에 게재됐으며, 한국연구재단 중견연구(NRF-2019R1A2C2086085), 기초연구실(NRF-2021R1A4A1031437), 나노소재원천(NRF-2018M3A7B4071109)의 지원을 받아 수행됐다.

논문정보

● 논문제목: Foldable three dimensional neural electrode arrays for simultaneous brain interfacing of cortical surface and intracortical multilayers

● 논문주소: https://www.nature.com/articles/s41528-022-00219-y

용어설명

● 뇌-기계 인터페이스(Brain-machine interface) 및 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-computer interface) : 인간의 뇌와 기계 및 컴퓨터를 직접적으로 연결해 뇌로부터 나오는 뇌파의 전기적 신경 신호를 측정해 기계 혹은 컴퓨터를 조작하는 장치를 말한다.

● 피질전도(Electrocorticography, ECoG) : 대뇌 피질 바로 위 전기 신호 측정을 위한 전극을 배치해 전기생리학적으로 뇌파를 측정하는 방법을 말한다. 대뇌 피질 뉴런과 전극의 직접적인 접촉을 통한 측정으로 뇌파의 정확한 측정을 가능하게 한다.

● 탐침형 전극(Michigan probe) : 뇌 내부의 신경 신호를 측정하는 뇌파 측정 디바이스이다. 뇌 내부의 신호 측정을 위해 침습 형태의 바늘 형태의 모형으로 제작되며 전극과 뉴런과 직접적인 접촉을 통해 전기 신호를 측정한다.

● 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI) : 인체의 병변을 파악하기 위한 영상 진단 검사 중 하나로 강한 자기장 내에 위치시킨 인체에 전자기파를 전사해, 수소 원자핵의 변화에 따라 발생하는 자장의 변화를 측정해 인체의 단면을 촬영한다.

● 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography, CT) : 인체에서 발생하는 여러 질병의 정밀한 진단을 위해 사용되는 영상 기술 중 하나로 X선을 조사해 일체를 절편으로 잘라 보는 횡단면상을 촬영한다.

● 국부장 전위(Local Field Potential, LFP) : 국소 부위 뇌 조직 뉴런들의 집합적 활동에서 발생하는 전기적 신호로 미세 전극을 사용해 신호를 측정한다. 특정 자극에 반응하는 국소 부위의 특정 뇌 영역 위치에 미세 전극을 부착해 해당 부위의 뇌 활성화 정도를 파악하는 데 활용된다.

● 단일 활동전위 신호(Single Spike) : 단일 뉴런에서 발생하는 일시적 신경 세포의 변화 신호를 말한다. 단일 뉴런에 크기에 맞춰 미세 전극을 뇌에 삽입해 발생하는 활동전위를 측정한다. 자극에 따른 특정 위치의 뇌 신경 세포의 활성화를 측정할 수 있다. 

그림설명

[그림 1. 실시간 3차원 전기생리학적 뇌파 측정을 위한 뇌 표면 및 피질 내부 동시 측정 접이식/유연 디바이스 개요]

3차원 전기생리학적 뇌파 측정을 위한 디바이스는 뇌 표면 측정을 위한 피질전도용 표면 측정 전극, 피질 내부 측정을 위한 탐침형 뇌 측정 전극 그리고 다 부위 뇌 신호 측정을 위한 Utah array로 구성돼 있다. 모든 구성 요소가 하나의 디바이스로 결합한 형태로 제작되며, 유연한 기판 위 금속 전극 및 인캡슐레이션을 통해 특정 부위의 뇌파를 측정한다. 본 연구에서는 9채널의 표면 전극, 6채널의 탐침형 전극 4개가 하나로 결합한 형태의 디바이스를 제작해 수염 자극 in vivo 실험을 통해 뇌 표면 및 피질 내부의 층별 신호를 3차원적으로 측정하는 데 성공했다.

[그림 2. 3차원 뇌파 측정 디바이스를 통한 수염 자극 in vivo 뇌파 측정 결과] 

본 연구에서는 3차원 뇌파 측정 디바이스의 성능 검증을 위해 수염 자극 in vivo 실험을 통해 뇌 국부 장 전위(local field potential, LFP)와 단일 활동전위 신호(single spike) 동시 측정에 성공했다. 실험의 결과로 표면 및 피질 내부에서 측정된 신호를 각 전극에서 측정된 뇌파의 세기에 따라 3차원의 이미지화해 자극에 따른 뇌의 신경 신호 변화를 3차원적으로 확인했다.