[헬스코리아뉴스 / 임해리] 브레인칩이 눈을 달았다. 신경세포의 전기적 활성을 측정하는 브레인칩에 어떤 세포에서 오는 신호인지를 한 눈에 알아볼 수 있도록 카메라 기능을 더한 것이다.
우리 뇌는 서로 다른 여러 영역으로 구성되며 각 영역에서 활동 하는 신경세포들도 저마다 다른 역할을 한다.
신경세포를 종류에 따라 다른 색으로 시각화할 수 있다면 질환에 관여하는 특정 세포만을 찾아내고 자극하려는 뇌질환 치료 시도를 현실화하는 발판이 될 수 있다.
한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 조일주 박사와 한국뇌연구원(KBRI) 추남선 박사 연구팀은 신경활성을 측정하는 브레인칩에 카메라의 단위소자인 포토다이오드를 고밀도로 집적, 세포 특이적인 형광신호를 전기신호와 함께 측정할 수 있는 머리카락 두께 크기의 브레인칩을 제작했다.
기존에도 0.5mm 굵기의 광섬유로 뇌 피질이나 해마 등 뇌 표면 근처 부위를 시각화할 수는 있었다. 하지만 빠르게 변하는 전기적 신호와 반응이 느린 형광신호를 동시에 측정하기는 어려웠다. 크기 때문에 뇌 심부를 측정하거나 뇌의 여러 부위를 동시에 측정하는 데도 어려움이 있었다.
연구팀은 이같은 문제를 해결하기 위해 미세유체공학 및 반도체 기술을 이용해 기존 전기신호 측정용 브레인칩에 카메라 단위소자인 포토다이오드를 집적시키는 데 성공했다. 기존 광섬유 대비 약 30 배 작아진 셈이다.
전기적 신호를 측정하면서 해당 신호를 보이는 세포의 위치와 세포 종류 정보를 세포 특이적 형광신호를 통해 동시에 얻을 수 있게 된 것이다. 특히 어레이 형태로 제작하여 뇌의 여러 부위에서 동시에 측정할 수 있다는 설명이다.
실제 제작한 브레인칩을 쥐의 기억을 담당하는 해마 부위에 이식하여 광자극을 주면서 여러 종류의 세포 중 흥분성 세포의 빠르게 변하는 활성도를 정밀하게 측정할 수 있음을 확인했다.
연구팀은 제작된 브레인칩이 신경세포 종류별 역할을 규명하는데 기여함으로써 특정 질환에 관여하는 뇌회로와 특정 세포를 자극하는 전략을 위한 기초자료가 될 것으로 기대하고 있다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 뇌과학원천기술개발 사업 및 미래뇌융합기술개발사업 등의 지원으로 수행됐다. 연구결과를 담은 논문의 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 11월 19일자에 게재됐다.
연구 주요 내용 설명
1. 연구의 필요성
뇌의 기능 및 뇌 질환의 원인과 치료법을 연구하기 위해서는 이와 관련된 신경회로를 구성하는 세포들의 기능적 연결성에 대한 연구가 필수적이다. 이를 위해서는 특정 기능을 담당하는 신경 세포들의 종류를 구분해서 측정하기 위한 기술이 요구된다.
최근 세포가 활성화될 때 빛을 내는 형광단백질을 특정 종류의 세포에 주입하여, 형광신호 측정으로 특정 종류의 세포 활성도를 관찰하기 위한 유전자 변형 기술이 뇌과학 연구에 활용되고 있다.
하지만 뇌심부에서 형광신호 측정을 위해서는 두꺼운 광섬유를 뇌에 삽입하게 되고, 이에 따라 뇌조직 손상을 유발하게 된다. 또한 반응이 느린 형광신호만으로는 빠르게 변하는 뇌세포의 신호 변화를 실시간으로 측정하기 어려웠다.
뿐만 아니라 뇌영역 중 한두 곳에서만 신호 측정이 가능하여, 세포 종류별로 뇌에서 어떻게 연결되어 있는지를 확인하는 데에 한계가 있었다.
따라서 뇌의 여러 곳에서 특정 종류 세포들의 활동을 빠르고 정밀하게 측정하기 위하여 형광신호와 전기신호를 동시에 관찰할 수 있는 초소형 시스템이 필요하다.
2. 연구내용
기존의 뇌신호(전기신호) 측정용 브레인칩에 형광신호 측정을 위한 이미지 센서를 집적하여, 형광신호와 전기신호 동시 측정이 가능한 브레인 칩을 개발하였다.
이미지 센서는 카메라에 사용되는 센서로서 빛을 감지할 수 있다. 본 연구에서는 뇌신호 측정을 위한 전극이 집적된 브레인칩에 이미지 센서를 집적한 형광신호 및 전기신호 동시 측정용 초소형 브레인 칩을 개발하였다. 이미지센서는 카메라에 사용되는 센서와 빛을 감지하기 위한 포토다이오드 어레이로 구성되어 있다.
브레인 칩은 MEMS(미세전자전기시스템, Micro ElectroMechanical System) 및 반도체 기술을 이용하여 머리카락 두께 크기의 탐침에 포토 다이오드와 신경 전극을 고밀도로 집적하였다.
고밀도로 집적된 전극과 이미지 센서로 인해 신경 세포의 위치나 활동 시간을 정밀하게 식별할 수 있다.
브레인칩은 어레이 구조로 제작되어 있어 신경회로의 여러 부위에서 형광신호를 측정하여, 세포 종류별 신경 활동의 이미징이 가능하다. 이와 함께 신경 활동을 정밀하고 빠르게 측정하기 위해서, 포토다이오드와 함께 집적된 신경 전극에서 전기적인 신경 신호를 동시에 측정하였다.
제작된 시스템은 광자극 기능도 집적되어 있어서, 뇌의 여러 부위에서 특정 종류 세포의 활성도만을 선택적으로 측정할 수 있음을 생쥐를 이용한 동물실험을 통하여 보여주었다.
3. 기대효과
최근 뇌에 대해서 많이 알려지면서 뇌회로에서 특정 종류의 세포의 역할을 밝히는 연구가 주목받고 있다. 뇌질환에 관여하는 뇌회로와 특정 세포의 역할이 규명되면, 특정 종류의 세포를 자극하여 망가진 뇌회로를 정상으로 회복시키는 일이 가능할 것이다.
따라서 본 연구는 뇌에서 세포 종류별 역할을 규명하는 데에 핵심적인 역할을 하여 뇌기능 이해와 뇌질환 치료기술 개발 연구에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
![(그림1) 형광 뉴럴 프로브 시스템실제 살아있는 생쥐의 뇌회로에서 세포 종류별 활성도를 측정하기 위해 이미지 센서가 집적된 브레인칩을 시스템 수준으로 집적된 사진. 쥐에서 사용하기 위해 소형의 집적된 시스템을 구현.[그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 조일주, 추남선 박사]](/news/photo/202112/323526_192379_5856.png)
쥐에서 사용하기 위해 소형의 집적된 시스템을 구현.[그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 조일주, 추남선 박사]
![(그림2) 세포 종류별 활성도를 측정 센서 형광신호와 전기신호를 동시에 측정하기 위해 이미지 센서와 전극이 고밀도로 집적된 브레인 칩 모식도. 탐침(그림에서 칼처럼 보이는 부분)이 뇌 내부로 삽입되고 탐침에 집적된 이미지 센서와 전극이 신경 활동을 형광 및 전기신호로 동시에 측정. [그림설명 및 그림제공: 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 조일주, 추남선 박사]](/news/photo/202112/323526_192380_5924.png)
탐침(그림에서 칼처럼 보이는 부분)이 뇌 내부로 삽입되고 탐침에 집적된 이미지 센서와 전극이 신경 활동을 형광 및 전기신호로 동시에 측정. [그림설명 및 그림제공: 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 조일주, 추남선 박사]
연구팀 인터뷰
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은 무엇인가요?
“살아 있는 쥐에서 광학적(형광) 신호를 측정하기 위한 대표적인 이미징 시스템은 형광현미경입니다. 이러한 현미경 시스템은 높은 해상도를 가지고 있지만 설치를 위해 많은 공간과 비용이 듭니다.
뿐만 아니라, 그 크기로 인해 살아있는 생쥐에서 신경 활동을 관찰하기 위해서는 쥐의 머리를 현미경 아래 고정해야 하므로 쥐의 행동에 제약을 가하게 됩니다. 이로 인해 자연스러운 행동을 보일 때 뇌가 어떻게 반응하는지를 관찰하는 실험이 불가능해집니다.
만약 형광신호를 측정하기 위한 카메라와 같은 이미징 시스템을 매우 작게 제작하여 머리 속으로 집어넣는다면, 자유로운 상태의 쥐의 뇌 활동을 형광신호로 측정할 수 있다고 생각하게 되었던 것이 연구의 시작이었습니다.”
Q. 이번 성과, 무엇이 다른가요?
“기존에 행동하는 생쥐에서 뇌 회로에서 세포의 종류별 활성도를 측정하기 위해서 머리에 장착이 가능한 미니 현미경과 같은 형광신호를 측정하기 위한 소형 이미징 시스템(카메라)이 개발되어 왔습니다. 하지만 이러한 시스템 역시 삽입되는 렌즈의 크기로 인해 뇌에 삽입 시 뇌 조직에 많은 손상을 줄 뿐만 아니라 형광 신호만 측정할 수 있었습니다.
형광신호는 신호의 반응 속도가 느린 특징을 가지고 있습니다. 그로 인해서 이러한 시스템들은 빠르게 변하는 뇌세포의 신호 변화를 실시간으로 측정하기 어려웠습니다. 또한 뇌회로의 영역 중 한두 곳에서만 신호 측정이 가능하여, 세포들이 뇌회로 내에서 어떻게 연결되어 있는지를 확인하는 데에 한계가 있었습니다.
본 연구그룹에서 개발한 브레인칩은 이러한 신호 측정의 한계점을 극복하기 위해, 뇌의 여러 곳에서 특정 종류의 세포별 활성도를 빠르고 정밀하게 측정하기 위한 형광 및 전기신호의 동시 측정 기술을 개발하였습니다.”
