우리 학교 전기및전자공학부 이현주 교수, 한국뇌연구원 김정연 박사 공동연구팀이 소형 동물에서 초음파 뇌 자극과 뇌파 측정이 동시에 가능한 초소형 시스템을 개발했다고 지난 9일 밝혔다. 연구팀은 해당 기술을 이용해, 수면 상태에 따라 실시간으로 초음파 뇌 자극을 주었다. 그 결과 비 급속 안구 운동(Non-rapid-eye Movement,NREM) 수면 시 전전두엽(Prefrontal cortex,PFC)을 실시간으로 자극함으로써 수면 및 단기 기억력 조절이 가능함을 밝혔다.

전자기파를 이용하는 기존의 신경 자극 기술

 신경 자극의 경우는 임상적으로 경두개 자기 자극술(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)과 뇌 심부 자극술(Deep Brain Stimulation,DBS)이 널리 활용된다. 경두개 자기 자극술은 자기 코일에서 발생한 자기장을 머리 표면을 통해 두개골을 통과시켜 두뇌의 특정 부위의 신경 세포를 활성 또는 억제하는 기술이다. 뇌 심부 자극술은 뇌조율기라고 불리는 전극을 뇌 심부에 이식하여 전기적 자극을 보내거나 측정하는 기술이다. 한편 동물 실험에서는 광유전학 기술을 이용해 빛으로 신경을 자극하는 방식이 활용된다. 유전학적 기법을 이용해 목표하는 신경세포가 빛에 반응하도록 조작한 뒤, 빛으로 목표 세포를 제어하는 것이다. 

안전한 초음파 뇌 자극 기술

 기존의 신경 자극 기술은 대부분 침습적이며 뇌의 심부까지 효과적으로 도달하지 못하거나 그 영향이 광범위하다는 한계점이 존재했다. 따라서 최근에는 초음파로 뇌를 자극하는 기술이 주목받고 있다. 기존 신경 자극 기술과는 달리 초음파는 수술 없이 뇌 심부의 국소적인 작은 영역까지도 자극할 수 있다. 이에 저강도 집속 초음파 기술의 치료 효과와 유효성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며 초음파를 신체에 조사했더니 알츠하이머병, 파킨슨병, 간질, 비만, 관절염 등이 호전됐다는 연구들이 다수 발표되고 있다. 

자극과 측정을 동시에 하는 체계적 시스템 부족

 신경 자극 효능을 확인하기 위한 방법으로는 생체 내 신호 측정과 행동 관찰을 들 수 있다. 그러나 이를 질병 모델이 많이 존재하는 소형 동물에서 구현하기는 쉽지 않다. 기존의 초음파 자극 기술 또한  부피가 커서 움직이는 생쥐에 사용할 수 없거나 작동할 때 생기는 잡음 신호로 동시 전기 생리 신호 측정이 어려웠다. 특히, 생쥐처럼 작은 동물에서 장기간으로 초음파 자극을 주면서 생체 내 반응을 실시간으로 측정하는 시스템이 없었다. 따라서 소형 동물에 인가되는 초음파 자극 실험은 통상적으로 짧게 자극 후 즉각적인 반응을 보거나 마취 상태에서 여러 차례 자극을 인가하고 장기적인 반응을 보는 연구들이 주를 이루고 있었다.

MEMS 기반 초소형 초음파 소자와 뇌파 측정 기술의 접목

 연구팀은 초소형 초음파 소자와 뇌파 측정 기술을 접목했다. 이현주 교수팀은 기존에 MEMS* 기반의 초소형 초음파 소자 연구를 지속해서 수행해왔다. 이번 연구에서는 해당 MEMS 소자에 뇌파 신호 측정 및 실시간 수면 분석 기술을 접목했으며, 뇌의 현재 상태에 따라 자극을 주는 맞춤형, 폐루프 자극 시스템을 개발했다. 폐루프 자극 알고리즘은 6초 단위로 수면 단계를 실시간으로 분석해 비 급속 안구 운동 수면 단계일 때 초음파 자극을 전달한다. 

 연구팀은 잡음을 적게 발생시키는 물질들로 소자를 구성하여, 초소형일 뿐만 아니라 전기생리학적 반응을 측정하기에 신뢰성이 높은 소자를 제작했다.

 최종적으로 연구팀은 해당 NREM 상태 시 10시간 동안 수면 박탈 쥐의 전전두엽을 자극한 결과, 단기 공간 기억력이 보호되고 급속 안구 운동(Rapid-eye Movement,Rem) 수면량이 증가함을 확인할 수 있었다. 

 이에 연구팀이 개발한 시스템은 초음파 자극 효능 평가 연구에 전방위적으로 활용될 것으로 기대된다. 마지막으로 제1 저자인 조예현 박사과정은 “연구에서 문제 해결은 반짝반짝한 아이디어에서 나오는 것이 아니라 노련한 실패에서 나오는 것 같다”라며 학교 구성원들에게 진심 어린 응원의 메시지를 남겼다.

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)*
마이크로 단위의 기계적 구조물과 전자 회로가 결합된 초소형 정밀 기계 제작 기술