정재웅 카이스트 교수(전기및전자공학부) 연구팀과 김정훈 연세대 교수(의대) 연구팀과 공동연구를 통해 뇌 완전 이식형 무선 광유전학 기기를 개발했다.

기존의 기기들은 외부기기와 연결된 광섬유를 통해 신경세포에 빛을 전달하는 방법을 사용했다. 이러한 유선 방식은 동물의 자유로운 움직임을 크게 제한한다는 점에서 복잡한 동물 실험을 구현하는데 제약이 있다. 

반면 최근에 개발된 무선 임플란트 기기들은 움직임에 자유롭지만, 주기적인 배터리의 교체가 필요하거나 외부 장비로부터 무선으로 전력을 공급받아야 하다는 한계가 있었다.

연구팀은 배터리의 무선 충전과 디바이스의 무선 제어를 가능하게 만드는 무선 회로를 개발해 마이크로 LED 기반의 탐침과 결합했다. 이를 통해 동물이 움직이는 상태에서도 배터리의 무선 충전이 가능한 기기를 구현했다. 또한 부드러운 생체적합성 소재로 감싸서 주변 조직과의 손상을 막았다.

연구팀은 중독성 약물인 코카인에 반복적으로 노출된 쥐의 특정 뇌 부위에 무선으로 빛을 전달해 코카인으로 인한 행동 민감화 발현을 억제하는 데 성공했다. 이 기술은 코카인에 의한 중독 행동 제어에 적용될 것으로 기대된다.

이번 개발은 뇌 기능 연구뿐 아니라 향후 인체에 적용돼 중독과 같은 정신질환 및 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌 질환 치료에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

정 교수는 “개발된 장치는 체내 이식 상태에서 무선 충전이 가능하므로 배터리 교체를 위한 추가적인 수술 필요 없이 장기간 사용이 가능하다”며 “이 기술은 뇌 이식용 기기뿐 아니라 인공 심박동기, 위 자극기 등 다양한 생체 이식용 기기에 범용적으로 적용될 수 있을 것이다”라고 말했다. 

김 교수는 "자유롭게 움직이는 동물을 바라보며, 단지 스마트폰 앱을 구동해 뇌에 빛을 전달하고, 그로 인해 동물의 특정 행동을 제어할 수 있다는 사실이 매우 흥미롭고, 많은 상상력을 자극한다ˮ라고 말했다. 

연구팀은 이 기술을 궁극적으로 인체에 적용할 수 있도록 기기를 더욱 소형화하고 MRI 친화적인 디자인으로 발전시키는 확장 연구를 계획하고 있다. 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 지원사업과 신진연구자지원사업, KAIST 글로벌 특이점 연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 

김충연 씨(카이스트 전기및전자공학부 박사과정)과 구민정 씨(연세대 의대 박사과정)가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 『네이처 커뮤니케이션즈』 1월 22일 자에 게재됐다.

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