1. 연구 배경
중증 신경 질환자나 신경 손상 환자 등을 위해 잃어버린 운동 기능을 복원해 주는 신경공학 기술이 최근 많은 관심을 받으면서 노화에 따른 운동 기능 손실이나 인지기능 장애를 보조할 수 있는 운동신경 보철, 보조기능의 인공장기 등이 개발되고 있다. 그 중에서도 지난 십여 년간 많은 과학자들은 인간의 뇌로부터 직접적으로 정보를 얻어 외부의 기기를 작동하는 방법에 대해 연구해 왔는데 이를 뇌-기계 접속 이라고 한다.
가) 뇌-기계 접속 (BMI: Braing Machine Interface) 시스템
실제 생명체와 신경계의 상호작용을 할 수 있도록 하는 연구이며 컨트롤러와 같은 입력 장치가 따로 필요 없이 외부기기와 뇌의 직접적인 소통을 의미한다. 뇌의 전기적 신호를 기록하고 이것을 분석하여 분석된 데이터를 외부 기기에 입력해 기기를 작동시키고 제어 할 수 있는 시스템이다. 뇌-기계 접속은 보고 듣는 기초적인 감각의 회복뿐만 아니라 운동하고 대화할 수 있는 신경 제어 회복을 위한 시스템이다.
뇌-기계 접속은 뇌에 이식되지 않은 전극을 이용하는 비침습형 뇌-기계 접속(EEG, EcoG, fMRI) 와 삽입형 전극을 사용해 뇌에 직접 이식하는 침습형 뇌-기계 접속으로 나뉜다.
[그림 1] 뇌-기계 접속 시스템의 구성도
나) 광유전학을 이용한 양방향 신경 접속
광유전학은 빛을 이용하여 신경세포들을 빠르게 목표를 지정할 수 있는 새로운 자극 패러다임을 제공해줄 수 있다. 광유전학을 이용한 빛 자극은 목표한 신경 세포만을 자극하며 주변 신경 세포들에게 피해를 주지 않는 장점이 있다. 광전극은 이러한 광유전학의 빛 자극과 기존의 전기적 신호의 리코딩을 기능을 동시에 할 수 있는 장치이다.
[그림 2] 광유전학을 이용한 신경세포 자극 방법
3. 연구 목표 및 내용
광유전학을 이용한 뇌-기계 접속 시스템을 구현하기 위해서는 빛을 이용한 신경 자극과 전기를 이용한 신호 리코딩을 동시에 수행할 수 있어야 하며, 생체에 들어가 작동하는 장치인 만큼 무선형 완전 이식 시스템이 구축 되어야 한다. 이번 연구는 광학적, 전기적 요소를 적절하게 이용하여 무선 정보 전달 시스템에 활용될 수 있는 완전 삽입형 양방향 다중모드 신경접속 마이크로 광전극 어레이(MOA)를 개발을 하고자 한다. 그러기 위해서는 우선 빛을 전달해 줄 수 있는 투명한 전극이 필요하며 이 전극에 빛을 전달할 수 있는 빛전달 시스템이 필요하다. 우리는 양방향 다중모드 신경 접속을 위한 새로운 소재로서 투명한 ZnO 반도체를 이용할 것이다. 여기에 LED 및 광도파로를 이용하여 효율적으로 빛을 전달할 것이다.
이 연구를 통해 개발되는 장비 기술은 광유전학이 더 나아갈 수 있는 중요한 통로를 열 수 있을 것이라고 예상한다. 특히 생체적합하고 영구적 임플란트가 가능한 MOA를 위한 디자인과 미세공정방법들은 광학적 시스템효율을 충분히 넘을 수 있을 것이다. 다중채널 광학 자극과 리코딩을 위한 기술들은 기초 및 응용연구에 흥미로운 전망을 제공해줄 것이다. 공간적 시간적 특정 뉴런 분포의 정밀한 분석의 역학관계를 맵핑하거나 피드백 제어 자극에 의한 신경 코딩을 연계한다면, 이 기술은 전기적 마이크로 리코딩과 적외선을 투과시킬 수 있는 광학적 플랫폼을 지닌 다목적 바이오기술 장비가 될 것이다.
관심분야 : 광전극 시스템, 나노 스케일 설계
[그림 3] 마이크로 LED array를 부착한 MOA를 이용한 양방향 다중모드 신경접속 시스템의 전체적인 모식도
4. 앞으로의 연구 계획
이 연구를 통해 개발되는 장비 기술은 광유전학이 더 나아갈 수 있는 중요한 통로를 열 수 있을 것이라고 예상한다. 특히 생체적합하고 영구적 임플란트가 가능한 MOA를 위한 디자인과 미세공정방법들은 광학적 시스템효율을 충분히 넘을 수 있을 것이다. 다중채널 광학 자극과 리코딩을 위한 기술들은 기초 및 응용연구에 흥미로운 전망을 제공해줄 것이다. 공간적 시간적 특정 뉴런 분포의 정밀한 분석의 역학관계를 맵핑하거나 피드백 제어 자극에 의한 신경 코딩을 연계한다면, 이 기술은 전기적 마이크로 리코딩과 적외선을 투과시킬 수 있는 광학적 플랫폼을 지닌 다목적 바이오기술 장비가 될 것이다.
[그림 4] 빛 자극과 전기적 자극에 의한 운동 피질의 기능적 지도의 예
5. 글쓴이 소개
이름 : 최나라 박사과정 (myunggi8989@gmail.com)
소속 : 융합과학기술대학원 융합과학부 나노융합시스템 전공관심분야 : 광전극 시스템, 나노 스케일 설계
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