<Adaptive and multifunctional hydrogel hybrid probes for long-term sensing and modulation of neural activity>

<박성준 교수>

우리 대학 바이오및뇌공학과 박성준 교수 연구팀이 MIT 공동 연구팀과 함께 하이드로젤 기반의 유연성 뇌-기계 인터페이스를 개발하는데 성공하였다.

한편, 이번 연구결과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 2021년 6월 8일 자로 출판되었다. (논문명: Adaptive and multifunctional hydrogel hybrid probes for long-term sensing and modulation of neural activity)

뇌 구조를 연구하거나 뇌신경 질환의 매커니즘을 파악, 치료하기 위해서는, 실시간으로 뇌를 자극하고 신호를 측정할 수 있는 인터페이스의 개발이 필수적이다. 그러나 기존의 신경 인터페이스는 기계적, 화학적 특성이 뇌조직과 너무 달라서 일어나는 이물 반응 (foreign body response) 때문에, 주변에 절연세포층이 형성되어 그 수명이 매우 짧아진다는 문제점을 가지고 있었다.

연구팀은 해당 문제의 해결을 위해, 직접 제작한 다기능성 파이버 다발을 하이드로젤 몸체에 넣는 방법을 이용하여‘뇌 모사형 신경 인터페이스’를 제작하였다. 해당 디바이스는 빛으로 특정 신경세포종만을 자극할 수 있는 광유전학 기술을 적용하기 위한 광섬유 뿐만 아니라, 뇌에서 신호를 읽을 수 있는 전극다발, 약물을 뇌 속으로 전달할 수 있는 미세유체채널을 모두 보유하고 있다. 

해당 인터페이스는 하이드로젤 몸체를 건조시킨 상태에서는 강성이 고분자와 유사하므로 몸체에 삽입하기가 용이하다. 하지만 몸에 들어가면 체내의 수분을 빠르게 흡수하여. 부드럽고 수분이 풍부한 주변 조직과 유사한 상태가 되므로 이물 반응을 최소화 할 수 있다.

연구팀은 이러한 특성을 가진 디바이스를 동물 모델에 직접 적용하여, 기존의 기록을 훨씬 상회하는 삽입 후 6개월까지도 뇌 신호를 측정할 수 있음을 보였다. 또한 자유롭게 움직이는 쥐를 대상으로 초장기간 광유전학 실험, 행동실험 등이 가능하며, 이물 반응에 의한 아교세포 및 면역세포의 발현이 기존 디바이스에 비해 현저히 줄어듬을 증명하였다.

박성준 교수는 "본 연구는 최초로 하이드로젤을 다기능 신경 인터페이스의 구성물질로 사용하여 그 수명을 대폭 상승시켰다는 데에 의의가 있으며, 해당 연구를 통해 향후 알츠하이머 병, 파킨슨 병 등 초장기간 관찰이 필요한 뇌 신경 질환 연구가 더욱 발전할 수 있을 것으로 기대된다ˮ 라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 신진연구사업, 범부처의료기기개발 사업, 나노소재원천기술개발사업, 차세대 지능형 반도체 개발사업, KK-JRC 스마트 프로젝트, 카이스트 Global Initiative 프로그램, Post-AI 프로젝트 사업의 지원을 받아 수행되었다.

그림 1. 하이드로젤 기반 하이브리드 뇌-기계 인터페이스 개요 및 제작과정