[학과 연구 성과 취재] 윤동조 박사과정 학생

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< 윤동조 박사과정 학생 >

이번 달에는 카이스트 바이오및뇌공학과 남윤기 교수님 연구실에서 연구하고 계신 윤동조 박사과정 학생과 인터뷰를 진행했습니다. 윤동조 학생은 올해 8 월 국제 저널 Biosensors and Bioelectronics에 “A 3D neuronal network read-out interface with high recording performance using a neuronal cluster patterning on a microelectrode array” 이라는 주제로 논문을 게재하셨습니다.

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

안녕하세요. 저는 남윤기 교수님 연구실 박사과정 윤동조라고 합니다. 저는 학사 때부터 바뇌과에서 공부를 했고 석사 과정도 저희 교수님 연구실에 진행했고 지금 박사 과정에 진행 중입니다. 제 연구 분야는 3차원 신경 인터페이스를 개발하는 것입니다. 제 연구에 관심 가져 주셔서 감사드립니다.

Q2. 최근 Biosensors and Bioelectronics에 발표하신 논문에 대해 간단히 설명 부탁드립니다.

이번에 기재된 논문은 신경 세포를 바이오 센서 칩에 배양한 ‘Brain-on-a-chip’ (뇌 세포 칩)에 공학적 기술을 접목시킨 연구입니다. 3차원 신경 네트워크 모델에서 발생하는 신경 생리학적 신호를 보다 효과적으로 측정할 수 있는 미세전극 칩 기반의 기술을 제안하였습니다. 기존 3차원 신경 네트워크 칩 연구에서 문제로 제시되었던 낮은 측정 수율과 신호 대 잡음 비를 향상시키는 것으로 3차원 신경 네트워크의 발달 초기부터 성숙한 단계에 대한 활성도 특성 변화 추적과 이를 통한 정밀한 네트워크 분석을 가능하게 하였습니다.

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<신경 세포 패터닝을 활용해 개발한 3차원 신경 네트워크 인터페이스>

Q3. 어떤 방법으로 문제점을 해결 하셨나요?

이를 위해서는 하이드로겔을 이용한 신경세포 미세패터닝 기술을 접목시켜 3차원 신경세포 배양 기술과 융합해 앞서 말씀드린 문제점을 해결할 수 있었습니다. 그 문제점들은 미세 전극에서 신호가 측정 되려면 신경세포가 미세 전극에 물리적으로 가깝게 붙어 있어야 하는 게 필수 조건인데요. 3차원 신경 네트워크에서는 신경세포가 3차원 공간에 무작위로 분포되어 있어 어느 특정 위치에 고정돼 있는 미세 전극에 물리적으로 가까이 가기가 확률 상 떨어지는 문제점이 있습니다. 그래서 저희 연구에서는 이런 확률을 높이고자 미리 미세 전극에 신경세포를 부착시켜 배양하였고, 모든 미세 전극에 신경세포들이 다 붙어 있는 상태에서 3차원 네트워크를 형성하여 높은 측정 수율을 얻을 수 있었습니다. 그리고 3차원 신경 네트워크의 발달 과정에 따른 신경 생리학적 활성도를 추적할 수 있는 것을 보였습니다.

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<3차원 신경 네트워크에서의 뉴런 클러스터 인터페이스의 활성패턴 분석>

Q4. 3차원 환경 네트워크를 구축하고 난 뒤에 어떤 방식으로 신호를 측정하셨나요?

3차원 신경 네트워크에서 발생하는 신호는 “전선” 역할을 하는 신경 세포의 뉴라이트를 통해서 미세전극에 부착된 신경세포로 전달이 됩니다. 따라서, 미세전극에 미리 붙여 놨던 신경 세포는 주변 3차원 공간에 배열된 신경세포들로부터 발생한 신호를 미세전극으로 전달하는 매개체 역할을 수행할 수 있게 됩니다.

Q5. 그렇다면 이번 연구가 microelectrode array 라는 분야 안에서 어떤 의미를 가지고 이걸 이용한 발전 방향이 어떻게 되는 지 궁금합니다.

우선 3차원 신경네트워크 신호를 측정할 때 기존의 문제점으로 여겨졌던 낮은 측정 수율, 낮은 신호 대 잡음 비를 이번 연구에서는 미세전극에 부착시키는 것으로 해결할 수 있었어요. 이를 통해서 3차원 신경 네트워크의 형성 초기 단계에서부터 신호를 측정하여 이 네트워크가 어떻게 발달해 나가는지 추적하는 데에 용이하게 사용될 수 있습니다. 그리고 또한, 기존에 하기 어려웠던 신경 네트워크의 발달 과정에서 신경 신호 특성들의 변화를 관찰할 수 있게 되었습니다.

Q6. 신경세포를 3차원으로 배양할 때 어떤 특징이 있을까요?

전통적으로 신경세포 배양은 2차원의 평평한 기판 위에서 2차원 신경 네트워크로 배양해왔는데요. 최근 들어 3차원으로 배양하여 네트워크를 형성하는 것에 대해 연구가 활발히 진행되고 있고, 그 배경으로는 궁극적으로 이런 연구들을 하는 것은 체내에 있는 뇌를 이해하고 이를 활용하기 위한 모델로서의 역할이 큽니다. 결국 뇌라는 것은 3차원으로 구성 되어있고 그것에 의거해서 나타내는 기능을 많은 사람들이 모방하고자 3차원 공간 상으로 신경세포를 배양하는 식으로 발전 되어 왔습니다. 따라서 2차원 네트워크랑 비교했을 때 아까 말씀드렸던 뉴라이트와 같이 상대적으로 복잡한 연결도를 형성할 수 있고 더 많은 자유도를 부여해 구조적으로 다른 특징을 나타냅니다. 그래서 2차원 신경 네트워크보다 더 다양한 신경 활성 패턴을 보이고 유전자 발현에 있어 더 체내와 유사한 발현 패턴을 가진다든지 그런 부분이 더 밝혀지고 있습니다.

Q7. 이 논문을 완성 하는 과정에서 어느 부분이 가장 힘들었고, 그것을 어떤 방식으로 해결하여 결국 완성할 수 있었나요?

이번 연구의 경우에는 말씀드렸듯이 3차원 신경 네트워크도 배양하면서도 그 배양 이전에 미세 전극 칩 위에 전극 부분에만 신경세포를 배양, 패터닝 하는 과정을 거쳐 인터페이스를 제작하게 됩니다. 이를 완성시키기 위해서는 각각의 복잡한 단계들을 모두 성공 해야 되는 그런 요건들이 있었고, 연한 젤 같은 하이드로겔을 다루다 보니까 세밀하게 다루는 것이 어려웠습니다. 또한, 신경세포는 체외 배양 난이도가 높은 편에 속하는 것으로 알려져 있는데요. 이러한 부분이 기술을 안정적으로 유지시키는데 어려운 요인으로 작용 하였던 것 같습니다. 그래서 1년 넘는 시간동안 차근차근 기술들을 손에 익히고, 계속 시도하는 것으로 해결할 수 있었습니다.

Q8. 이 논문 이후로 현재 하고 계신 연구나 향후 계획은 어떻게 되나요?

저는 이 3차원 신경 네트워크에 대한 연구를 석사 때부터 관심이 있었습니다. 이 네트워크의 신호를 어떻게 해야 보다 더 효과적으로 측정할 수 있는 지에 대한 궁금증을 계속 가지고 있었는데요. 그래서 이번 연구에서도 기존의 문제점으로 여겨졌던 측정 효율을 개선하고자 하는 데서 시작된 연구였고요. 지금 하고 있는 연구는 이러한 3차원 신경 네트워크가 가지고 있는 많은 과학적 비밀들을 이해하기 위해 이를 밝혀내 줄 수 있는 공학적인 기술이 필요하다고 생각이 들어 3차원 신경 인터페이스를 개발하는 것이 현재 진행하고 있는 연구이고요. 앞으로 방향성을 말씀드리자면 현재까지 나와있는 3차원 신경 네트워크 모델들이 굉장히 다양한데요. 오가노이드 혹은 어셈블로이드부터 시작해서 미세 패턴들, 3차원 모델 등이 있는데 그들은 수백 마이크로미터부터 수 밀리미터까지 다양한 크기와 형태를 지니고 있어요. 이들에게 맞춤화된 미세전극칩을 개발, 제작 하기에는 현재 공정 방식들로는 노동 집약적이라든지, 경제적인 어려움이 분명히 있을 수 있습니다. 그래서 지금은 3차원 프린터를 이용해서 더 범용성을 갖춘 맞춤형 신경 인터페이스를 제작하는 연구를 진행 하고 있습니다.

Q9. 마지막으로 이 기사를 보고 있을 후배들에게 한 말씀 부탁드립니다.

이건 저희 연구실 후배들에게도 여러 번 해주는 말이긴 한데 아무래도 대학원 생활을 하다 보면 실험이 마음처럼 안 되거나 결과가 좋지 않거나 하는 순간들이 굉장히 많이 있었을 거예요. 저도 그랬었고요. 그럴 때마다 제가 해주고 싶은 말은 너무 조급한 마음을 가지고 힘든 와중에 계속 이어 나가지 말고 조금 더 뒤로 물러서서 머리도 조금 비우고 기분 전환을 한 뒤에 다시 임하여도 된다 라는 것입니다. 아무래도 대학원 생활은 롱런을 해야 되기 때문에 심리적으로 너무 부담되고 힘들면 그때는 계속한다고 해도 효율이 안 좋고 잠깐 쉰다고 해서 크게 뒤쳐지는 것은 아니기 때문에 쉬었다가 오는 것이 효율적이라고 생각합니다. 그리고 평소에 스트레스 관리하는 자기만의 방법을 찾는 것을 추천하고요. 저는 운동이나 맛있는 거 먹는 것을 좋아해서 그런 식으로 스트레스를 관리했던 것 같습니다.