ZnO(산화 아연)를 이용한 투명 전극과 무선형 빛 전달 방법을 결합한 마이크로광전극 시스템

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.

2. 배경 이론

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.

[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 전공
관심분야 : 광전극 시스템, 나노 스케일 설계