우리 학교 김봉수 교수팀이 금 나노 탐침으로 뇌 신경 신호를 측정했다. 이번 연구는 나노 분야 국제 학술지 <ACS 나노(ACS Nano)>의 12일 자 온라인판에 게재되었다.

뇌가 보내는 신호를 읽는 신경 탐침
신경 탐침은 뇌 신경 신호를 연구하는 데 이용하는 길고 가는 침이며, 크기가 나노 단위이면 나노 탐침이라고 한다. 뇌를 연구하는 방법에는 MRI 촬영도 있다. 하지만 MRI 촬영은 실험 대상이 기기 내부에 들어가야 해 행동이 제한된다. 반면 신경 탐침은 장치가 단순해 행동하고 있는 실험 대상을 관찰할 수 있다. 더욱이 신경 탐침은 공간분해능이 좋아 뇌 연구에서 중요한 역할을 한다. 공간분해능이란 장소를 찾을 때 생기는 오차로, 공간분해능이 좋을수록 신호를 정밀하게 측정할 수 있다.

연구에 최적화된 금과 나노 탐침의 특성
신경 탐침은 뇌 신호를 측정하는 전극으로 활용된다. 탐침을 뇌세포에 삽입하면 뇌 신경의 전기 신호를 신경 탐침이 측정하는 것이다. 그런데 신경 탐침을 삽입하면 세포가 면역 반응을 일으켜 전기가 통하지 않는 세포가 형성된다. 이 때문에 신경 탐침이 전기 신호를 잘 잡아내지 못해 뇌 신경 신호 전달이 활발한 시점인 스파이크(spike)와 그 외의 신경 신호인 잡신호(noise)를 구분하기 힘들다. 따라서 세포가 빨리 회복할 수 있도록 손상을 최대한 줄여야 신호를 정확히 측정할 수 있다. 나노 탐침을 사용하면 한 시간 안에 세포가 치유될 정도로 손상이 적어서 신호 측정에 적합하다.
신호를 정확히 측정 가능한 재료로 탐침을 만드는 것도 중요하다. 백금은 전기 전도도가 낮고 길게 만들 수 없어 적합하지 않다. 전기 전도도가 좋은 은도 산화될 우려가 있어 탐침으로 쓰기 힘들다. 김 교수팀은 50μm 이상 늘일 수 있고 전기도 잘 흐르는 금으로 탐침을 만들었다.

금 증기를 응결시켜 가늘고 결함이 없는 탐침 합성해
금 나노 탐침은 텅스텐 막대에 금 나노 선(nanowire)을 붙여 만든다. 먼저 금 증기를 차가운 기판이 들어있는 튜브 속에 통과시킨다. 처음에는 금 원자도 열에너지를 가지고 있어 기판에 붙었다가 떨어지는 것을 반복하지만, 곧 열역학적으로 안정해지기 위해 기판에서 응결된다. 원자는 다른 원자와 결합해야 안정해질 수 있으므로, 금 원자들은 응결된 채로 기판 위를 돌아다니다가 다른 금 원자를 만나면 결합해 단순한 결정을 형성하는데, 이를 시드(seed)라고 한다. 이후 시드에 계속해 금 원자가 붙으면서 길어져 금 나노 선이 완성된다. 그다음 매우 작은 나노 탐침을 조작할 수 있도록 크기가 큰 텅스텐 막대에 금 나노 선을 붙인다.

실험으로 증명한 금 나노 탐침의 정밀함
이번 연구는 총 2단계로 진행되었다. 첫 번째 단계는 금 나노 탐침을 만들어 쥐의 뇌에 삽입하는 것이다. 두 번째 단계는 뇌 신경이 어떻게 반응하는지 보기 위한 행동 실험과 약물 실험이다. 김 교수팀은 행동 실험에서 낯선 쥐가 실험 대상 주변에 침입했을 때 쥐의 신경 신호를 관찰했다. 약물 실험에서는 쥐에게 간질 유발 약물을 주입했을 때 뇌 신경 신호가 발생하는 지점을 조사했다.
금 나노 탐침은 행동 실험에서 쥐의 신경 신호 변화를 감지해냈다. 낯선 쥐를 인식한 실험 대상이 흥분하자 신경 신호에서 잦은 스파이크가 나타났다. 또한, 약물 실험에서는 금 나노 탐침의 공간분해능이 1mm에 달해 간질을 유발하는 뇌의 부위를 정밀히 측정했다. 기존의 텅스텐 마이크로 탐침은 두 번째 단계에서 쥐의 뇌 신경 신호의 스파이크와 잡신호를 명확히 구분해내지 못했다.

입증된 성능을 넓은 범위에 적용 가능해
금 나노 탐침은 뇌 신경 신호를 연구하는 데 유용해 미국과 유럽에서 추진하고 있는 뇌 지도 작성(Brain mapping project)에도 이바지할 수 있다. 나노 탐침은 DNA나 단백질, 약물을 주입하는 데에도 쓰인다.

이번 연구는 2010년에 제작된 김 교수팀의 금 나노 탐침이 실제로 쓰였다는 것에 의의가 있다. 논문 제1 저자인 강미정 박사는 “이 연구는 뇌 연구에 관한 것이지만, 금 나노 탐침은 그뿐만 아니라 다른 여러 분야에도 응용될 수 있다”라고 밝혔다.