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이번 달에는 올해 5월 ACS Nano에 “Multifunctional and Flexible Neural Probe with Thermally Drawn Fibers for Bidirectional Synaptic Probing in the Brain”이라는 제목으로 논문을 게재하신 김예지, 이윤흠 박사과정 학생과 인터뷰를 진행하였습니다.

 

Q1. 안녕하세요, 이달의 학과 연구 성과 취재 인터뷰에 응해주셔서 진심으로 감사드립니다. 간단한 본인 소개와 인사말씀 부탁드립니다.

안녕하세요. 바이오 및 뇌공학과 박성준 교수님 연구실 박사과정 2년 차 김예지, 이윤흠입니다.

 

Q2. 올해 5월 AcS Nano에 “Multifunctional and Flexible Neural Probe with Thermally Drawn Fibers for Bidirectional Synaptic Probing in the Brain”이라는 논문을 게재하셨는데, 해당 논문에 대해 간단히 설명 부탁드립니다.

지금까지의 neural probe는 주로 전기 신호의 측정과 전기 자극에 중점을 두어 진행되어 왔습니다. 그러나 뉴런은 전기 신호뿐만 아니라 화학적 신호를 통해서도 주로 소통합니다. 이러한 화학적 신호는 광범위하고 세포 특이적으로 작용하여 다양한 기능적 역할을 수행하는 것으로 알려져 있습니다. 이 논문에서는 전기 신호의 측정과 전기적 활성화를 위한 광 자극뿐만 아니라 이러한 화학적 신호 측정과 화학적 자극까지 가능하게 하는 섬유형 neural probe를 제작한 논문입니다. 

 

Q3. 기존의 neural probe와 비교하였을 때, 화학적 전기적 신호의 모니터링과 자극기능에 있어 어떠한 점이 향상되고 개선이 되었는지 설명 부탁드립니다.

기존의 연구에는 화학적 및 전기적 자극과 모니터링을 모두 동시에 할 수 있는 neural probe가 존재하지 않았습니다. 이번 연구에서는 microwire codrawing thermal drawing process (MC-TDP)라는 공정 기술을 사용하여 250μm라는 작은 직경의 neural probe를 제작하였습니다. 화학적 모니터링, 약물 전달, 전기적 모니터링, 그리고 광유전적 자극까지 구현할 수 있게 한 점이 가장 큰 노벨티라고 할 수 있습니다.

 

Q4. 이번 연구 결과가 어떤 의미와 의의를 가지는지, 더불어 어떠한 긍정적인 파급 효과를 기대해볼 수 있을지 궁금합니다.

다기능 인터페이스의 발전은 화학적 신호 전달 체계와 전기적 신호 전달 체계, 이 두 가지의 종합적인 분석과 연구를 가능하게 할 수 있습니다. 기존에는 전기적 신호에만 1차원적으로 접근할 수 있었지만, 이러한 다기능 인터페이스의 발전을 통해 신경 전달 물질의 다이나믹스를 동시에 이해할 수 있게 되었습니다. 이러한 종합적인 접근을 통해, 자극에 대한 전기 생리학적 반응과 화학적 반응을 동시에 연구함으로써 신경 시스템을 보다 포괄적으로 이해할 수 있고, 나아가 뇌 질환의 메커니즘 규명과 치료에 있어서도 다양하게 도움이 될 것이라고 생각합니다. 

 

Q5. 본 연구를 진행하시는 과정에서 어떠한 부분이 가장 어렵고 힘드셨나요? 나아가 이를 어떻게 해결하셨나요?

[이윤흠]

이번 연구에서 저는 파이버를 제작하고 특성을 평가하는 부분을 담당했습니다. 그래서 제작 과정 중에서 어려움을 많이 겪었던 것 같습니다. 연구 초반에는 전극의 민감도나 선택 감도 등을 높이기 위해 디자인이나 재료를 계속해서 바꾸거나 전극의 표면을 개질하는 과정들을 반복했습니다. 그럼에도 불구하고 원하는 특성이 나오지 않을 때마다 좌절을 많이 했던 것 같습니다. 최종적으로는 7μm 두께의 carbon fiber라는 물질을 전극으로 사용하게 되었는데, 너무 얇아서 다루기가 매우 힘들었습니다. 저희처럼 디바이스를 연구하는 연구실에서는 논문에는 들어가지 않는 제작과정에서 겪는 사소한 어려움들이 많은데, 이때 저는 ‘어떻게 하면 더 쉽게 만들 수 있을까’를 많이 고민하는 것 같습니다. 어떻게 창의성을 발휘하는가에 따라 이 과정들이 되게 쉬워질 수도 있고, 이런 점들을 많이 생각하고 고민하는 것이 결국에는 어려움을 해결할 수 있는 길이라고 생각하고 있습니다. 

[김예지]

저는 이번 연구가 제 첫 프로젝트이면서 저희 연구실이 처음 생겼을 때부터 시작된 프로젝트여서, 아무것도 없는 곳에서 장비 셋업, 실험, 결과 도출, 분석까지 처음 해야 한다는 점이 제일 힘들었습니다. 그래서 생체 내 데이터 결과를 얻는 데 3년 정도의 시간이 걸렸습니다. 이 과정들에서 실패하는 막막한 시간들이 제일 힘들었지만, 아무것도 없는 상황 속에서 문제를 해결해 나가면서 점점 쌓아 올리며, 더 효율적인 전략을 생각하고 실행해 보는 경험 자체가 많은 도움이 된 것 같습니다. 지금 연구에서도 이런 시간들이 도움이 많이 되고 있습니다.

 

Q6. 현재는 어떠한 연구를 진행하고 계시는지 소개를 부탁드려도 될까요?

[이윤흠]

열 인발 공정이나 용액 공정 등을 이용해서 섬유형 센서나 인터커넥터 등을 만드는 연구를 진행하고 있습니다. 이런 연구들을 하다 보니까 좋은 아이디어가 있어도 재료적인 한계로 인해 구현이 어려운 경우가 종종 있어서, 지금은 신소재 공학과와 협업을 통해서 기존 공정 기술의 한계를 뛰어넘을 수 있는 재료를 개발하는 것도 연구를 하고 있습니다. 

[김예지]

저는 생체 내에서 화학적인 신호를 광학적으로 모니터링하는 기술에 관심이 있어서 관련 연구들을 진행하고 있습니다. 그 중 하나만 소개해 드린다면 기존의 GECI(Genetically Encoded Calcium Indicator)나 GENI(Genetically Encoded Neurotransmitter Indicator) 같이 유전적으로 인코딩되는 센서와 깊이에 따른 다채널 fiber photometry 디바이스를 만드는 프로젝트를 진행하고 있습니다. 

 

Q7. 앞으로 더 연구해보고 싶은 게 있으시다면, 어떤 것들이 있을까요?

[이윤흠]

제가 공정연구를 주로 하고 있기 때문에 제가 개발한 공정적 이점을 바탕으로 다양한 생체 신호를 측정하거나 혹은 커뮤니케이션이 가능한 섬유형 센서, 디스플레이, 인터커넥터 등을 제작하고 이를 하나의 시스템으로 통합한 스마트 텍스타일 시스템을 최종적으로 구현하는 연구를 하고 싶습니다.

[김예지]

저의 궁극적인 연구 목표는 비침습적이고 비유전적으로 뉴로 케미컬 모니터링을 하는 것입니다. 현재는 침습적인 기술을 사용하는 연구를 진행하고 있지만, 최근에 광학적 모니터링으로 많은 관심을 갖고 연구를 시작한 이유도 지금의 다양한 기술적 장애물들을 광학적 접근으로 많이 해결할 수 있을 것이라 생각했기 때문입니다. 그래서 저는 화학적 다이나믹스의 접근성을 많이 높여서 질병의 바이오 마커로 쓰거나 피드백 시스템에서 신호로까지 쓸 수 있도록 접근성을 높이는 연구들을 하고 싶습니다. 

 

Q8. 마지막으로 이 글을 보고 있을 후배들에게 한 말씀 부탁드립니다.

[김예지]

저는 학부도 바이오 및 뇌공학과를 나왔는데, 솔직히 말하면 그때는 박사과정까지 하게 될 줄 몰랐습니다. 후회를 남기고 싶지 않아서 연구를 시작하게 되었는데, 막상 시작하고 나니 흥미가 생기는 분야를 찾게 된 것 같습니다. 후배분들도 조금이나마 관심 있는 분야가 있으면 도전해 보시라는 말씀을 드리고 싶습니다. 

[이윤흠]

학부 공부나 시험공부랑은 다르게 연구를 하면서 제일 어려웠던 점은 긴 호흡으로 진행을 해야 되기 때문에 지치기 쉽다는 것 같습니다. 그래서 결국에는 지치지 않기 위해서 내가 재미있어 하는 분야를 잘 찾는 게 중요하다고 생각을 하고 예지가 말한 것처럼 다양한 분야를 경험해 보면 본인과 맞는 재밌는 일들이 생길 텐데, 그런 경험들을 통해서 재밌게 더 좋은 연구를 할 수 있었으면 좋겠다는 이야기를 꼭 하고 싶습니다.

 

 

<이윤흠, 김예지 박사과정 학생>