나노-신경-광학 연구실(NNPL, Nano-Neuro-Photonics Laboratory)

이번 실험실/입주기업 서울대학교 융합과학기술대학원 나노융합전공 송윤규 교수가 있는 나노신경광학연구실(NNPL, Nano-Neuro-Photonics Laboratory)을 소개할까 한다. 

나노신경광학연구실(NNPL, Nano-Neuro-Photonics Laboratory) 실험실 전경

나노신경광학연구실(NNPL, Nano-Neuro-Photonics Laboratory)은 12명의 연구원 및 학생들이 모여 타 분야 전문성이 골고루 어우러진 신경과학, 나노기술, 바이오센서에 대한 융합연구를 수행하고 있다. 실험실은 D동 5층에 위치하고 관련된 자세한 정보는 연구실 홈페이지(http://nnp.snu.ac.kr)를 통해서도 확인할 수 있다. 

융대원 나노신경광학연구실의 송윤규교수

현재 크게 4개의 연구를 진행하고 있다.

1. 뇌-기계 접속(BMI, Brain machine Interface)

뇌-기계 접속 기술은 뇌에서 나오는 신경 신호를 전자기적, 광학적 방법으로 측정하고 이 정보를 해독하여 외부의 장치를 제어하는데 사용한다. 이 기술은 세 가지 연구주제로 세분화할 수 있는데 신경세포를 자극하는 다채널 마이크로 전극(multichannel microelectrode array)공정, 전력과 데이터 효율적인 송수신을 위한 무선 시스템 구축, 신경신호의 처리와 원활한 데이터 처리를 위한 회로 설계로 구분된다. NNPL은 각 기술들에 대한 연구를 병렬적으로 진행하고 있으며 ZnO 투명전극 제작기술, 신경신호 처리 회로 개발기술, 무선 전력 전송 기술들을 확보하였다. 현재는 이들을 통합하여 임상적인 환경에서 직접 적용될 수 있는 완전 이식형 무선 뇌-기계 접속 시스템을 구현하고자 한다.

다채널로 동시에 신경신호 측정과 광자극이 가능한 ZnO 마이크로투명전극(위), ZnO투명전극의 팁 부분에서의 빛 전달 성능과 빛 퍼짐 정도에 의한 신경자극 예상 범위 (Monte Carlo Simulation) (아래)

2. 광유전학(Optogenetics)

NNPL에서는 광유전학 연구에 나노광학을 접목시켜 새로운 신경 광자극 플랫폼을 개발하고자 한다. 광유전학은 광학(Optics)과 유전학(Genetics)을 결합한 기술로 유전공학적 형질 변환을 통해 광민감성 채널과 펌프들을 발현시켜 세포의 활동을 빛으로 조절한다. 이는 신경세포의 활동전위(Action potential) 조절뿐만 아니라 유전자 발현조절이나 이온 분압조절 등에 사용되며 이를 이용한 뇌 신경망의 기능적 분석이 대두되고 있다. NNPL에서는 태아 쥐의 신경세포를 추출하고 특정 유전자벡터를 이용하여 광유전학적 성질을 부여한 세포를 배양하고 있다. 이러한 세포들에 나노구조체를 도입하여 신경세포의 광민감성을 높이는 연구를 수행하고 있다.

3. 나노구조체(nano-complex) 및 나노갭(nano gap)

DNA와 단백질을 이용하여 높은 수율을 가지는 수 나노크기의 나노구조체에 대한 연구도 진행 중이다. 나노구조체의 경우 상향식(bottom-up)합성을 통해 원하는 결합체를 제작에 사용되는데 결합체의 모양과 방향을 원하는 대로 조절하는 것이 중요하다. NNPL에서 서로 다른 4개의 DNA가 단백질에 결합되어있는 형태를 이용하여 나노구조체를 개발하였고 DNA의 상보적 결합을 통해서 금속나노입자, 형광분자 등을 도입하여 형광 증폭형 구조체나 자가 조립 구조체를 제작하였다. 또한  화학적 식각(chemical wet etching)을 통해 나노갭(nano gap)을 만드는 새로운 방식을 발견하였는데 식각용 시약(etchant)의 농도와 식각 진행 시간에 따라 나노갭의 크기와 조절할 수 있었다. 이 기술은 특허가 등록된 상태이고 저비용으로 간단하게 나노갭을 만들 수 있고 대면적 공정이 가능하므로 응용분야가 많을 것으로 기대한다.

4. 나노바이오센서(nanobio sensor)

NNPL에서는 사람의 날숨을 분석하여 암을 진단할 수 있는 나노바이오센서 연구가 진행되고 있다. 나노공정을 통해 금속나노구조체 기판을 제작하고 분자의 종류를 정확히 구분해 낼 수 있는 라만분광법을 적용하여 표면라만산란증강(SERS, Surface enhanced raman scattering)효과를 이용한 신뢰성 높은 날숨센서를 개발하고자 한다. SERS연구에서 검출 분자를 정확하게 나노 갭 사이에 위치시키는 것이 핵심 쟁점이며 획기적인 해결책을 가지고 연구를 수행하고 있다. FDTD(Finite-differential time domain)을 사용하여 금속나노구조체 기판에서의 전기장의 강화정도를 확인하였고 현재 최적화된 센서를 제작하고 있다.

이 밖에도 신경세포의 형태와 활동을 동시에 측정할 수 있는 새로운 방식의 현미경 개발도 이루어지고 있다.

 

형광현미경과 신경세포의 전기생리학적 활동전위를 측정할 수 있는 패치클램프 장치

NNPL에 관련된 자세한 정보는 연구실 홈페이지(http://nnp.snu.ac.kr)를 통해서 확인할 수 있다.

(글,사진: 나노신경광학연구실 이아형 연구원)