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뇌도 속는 첨단 '전자 탐침' 개발…'뉴런의 속삭임'을 듣는다

송고시간2019-02-28 11:50

미 하버드대 연구진, 극미세 'NeuE' 탐침 뇌 이식 성공

뉴런(녹색)에 둘러싸여 있는 이식 NeuE(붉은색)의 3차원 영상
뉴런(녹색)에 둘러싸여 있는 이식 NeuE(붉은색)의 3차원 영상

[리버 연구소 양 샤오 제공]

(서울=연합뉴스) 한기천 기자 = 인간의 뇌는 철통방어하는 요새와 같아 외부 침입자를 발견 즉시 공격한다. 그래서 이질적인 물체가 뇌에 들어오면 오래 견디지 못한다.

과학자들이 연구나 치료 목적으로 많이 쓰는 '신경 탐침(neural probe)'도 뇌의 표적이 되기는 마찬가지다. 더듬자, 소식자(消息子) 등으로도 불리는 탐침은 인체 내부를 검사할 때 삽입하는 가늘고 유연한 도구를 말한다.

그런데 뇌가 깜빡 속아 넘어갈 만큼 진짜 뉴런(신경세포)과 똑같이 보고, 행동하고, 느끼는 첨단 '전자 탐침'을 미국 하버드대 연구진이 개발했다.

27일(현지시간) 온라인(www.eurekalert.org)에 배포된 보도자료에 따르면 하버드대의 화학생물학과 과장이자 '조슈아·베스 프리드먼' 특별교수인 찰스 리버 박사가 이 연구를 주도했다. 그와 동료 과학자들이 공동 저술한 연구보고서는 과학 저널 '네이처 머티어리얼즈(Nature Materials)'에 실렸다.

리버 교수는 "말 그대로 인공과 생명 계 사이에 존재하는 분명한 특성 차이를 구분할 수 없게 만들었다"고 이번 연구에 의미를 부여했다.

'NeuE'로 명명된 이 탐침은 외양만 뉴런과 똑같지 실제론 여러 가지 첨단 기술이 녹아 있는 초소형 전자장치다.

뇌에 이식하면 보호 케이스 안에 장치된 센서로 여러 가지 정보를 외부로 전송한다. 예를 들면 개별 뉴런이 언제, 어떻게 자극을 받아 신경망 교신으로 이어지는지도 속속들이 알 수 있다.

기존의 탐침은 실제 뉴런보다 크고 뻣뻣해 뇌에 이식할 경우 면역 거부반응을 일으킨다. 'NeuE처럼 신경정보 모니터 기능을 제대로 하지 못하는 건 물론이다.

반면 NeuE는 실제 뉴런의 모양, 크기, 신축성 등을 그대로 본떠 만들었다. 보고서의 수석저자인 양 샤오 박사과정 연구원은 "본질적으로 진짜 뉴런과 똑같다"고 말했다.

NeuE는 기존의 어떤 탐침보다 작고, 신축성도 5배 내지 20배 뛰어나다. 금속과 고분자 소재를 번갈아 사용한 4중 막 구조의 외피를 갖춰 내구성도 월등하다.

이번에 연구팀은 뇌에 이식된 뒤 주변 뉴런과 전혀 표시 나지 않게 결합한 NeuE의 3차원 영상을 처음 공개했다.

둥근 머리와 길고 흐늘거리는 꼬리를 가진 뉴런은 언뜻 올챙이처럼 보인다.

그래서 연구팀은 NeuE에도 뉴런과 같은 크기의 '머리'를 만들고 그 안에 정보 기록용 금속 전극을 설치했다. 초신축성 고분자 소재로 만든 NeuE의 '꼬리'는 뉴런의 수상돌기와 비슷하게 생겼는데 전극으로 통하는 미세 전선을 감싸고 있다.

실제 뉴런의 머리는 20㎛(1㎛은 100만분의 1m) 정도로 아주 가는 머리카락과 비슷하다. 그래서 NeuE의 미세 작업엔 사진평판술(photolithography)이 사용됐다.

연구팀은 이렇게 만든 NeuE 16개를 생쥐 뇌의 해마 영역에 주입한 뒤 열십자형 신경망과 흡사하게 다공성 망을 형성하도록 유도했다. 해마를 선택한 건 학습, 기업, 노화 등에 중추기능을 하기 때문이다.

예상대로 투입된 NeuE 군(群)은 전혀 문제없이 매끄럽게 신경망과 결합했다. NeuE보다 훨씬 더 크고 딱딱한 기존 탐침은 뇌 이식 후 원래 뉴런의 영역을 너무 많이 차지해 거부 반응 외에 신경망 교란 같은 문제를 일으켰다.

뇌에 이식된 NeuE들은 첫날부터 수개월 후까지 진짜 신경망과 조화로운 '혼합(hybrid)' 상태를 유지했다. 연구팀은 단 한 조각의 신경 신호도 놓치지 않고 안정적으로 데이터를 모을 수 있었다.

연구팀은 NeuE 같은 인공 탐침이 손상된 뇌 조직의 재생에도 도움을 줄 것으로 기대한다. 뇌의 신생 뉴런이 NeuE를 발판으로 삼아 손상 부위로 이동하면 조직 재생을 도울 수 있다는 것이다.

손상된 뇌 조직의 재생엔 줄기세포를 많이 쓰는데 거부반응이 문제가 된다. 그러나 NeuE는 환자의 뇌에서 생성한 줄기세포를 찾아내 손상 부위로 이동하게 유도할 수 있다.

뇌가 NeuE를 진짜 뉴런으로 보기 때문에 거부반응은 문제가 되지 않는다. 양 연구원은 "기대하지 못했던 매우 흥미로운 결과"라고 말했다.

cheon@yna.co.kr

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