뇌표면에 접착가능한 뇌파기록장치

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-04-23

최근 사이언스 데일리 4월 18일자에서 미국의 과학자들은 뇌 표면에 이식을 통해 완전히 녹아 달라붙을 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 뇌에 대한 조사와 발작을 통제하는 장치에 사용할 수 있으며 뇌에서 손상된 척추로 신호를 전달하는 장치에도 사용할 수 있다. 미국 국립보건연구원 (NIH)의 국립신경질환 및 뇌졸중 연구소 (National Institute of Neurological Disorders and Stroke, NINDS)의 부소장인 월터 코로셰츠 (Walter Koroshetz)는 “이 이식장치는 잠재적으로 전극과 뇌조직 사이의 접촉을 극대화시킬 수 있으며 뇌에 대한 손상을 최소화시킬 수 있다. 이 장치는 간질이나 척추손상 그리고 다른 신경질환에 대한 다양한 장치의 플랫폼으로 사용될 수 있을 것이다”고 말했다. 학술지인 <Nature Materials>지에 발표된 이번 연구결과는 부분적으로 실크로 만들어진 극박 유연성 이식물질은 전극이 달려있는 좀더 두꺼운 이식물보다 더 믿을 수 있는 뇌활동을 기록할 수 있다고 주장했다 (Kim et al. Nature Materials, 2010; DOI: 10.1038/nmat2745). 뇌의 활동을 기록할 수 있는 가장 간단한 장비는 뇌조직 깊숙히 들어갈 수 있는 바늘과 같은 전극이다. 미세전극칩 (micro-electrode arrays) 으로 불리는 좀더 발달된 장비는 수십개의 반 유연성 전선으로 연결된 전극 (semiflexible wire electrodes)로 이루어져 뇌의 모양을 따르지 않는 단단한 실리콘 격자에 고정시킬 수 있다. 간질병을 앓고 있는 환자에게서 이 장치는 발작이 처음시작될 때를 감지하는데 사용될 수 있으며 전기파동을 이용하여 발작을 줄일 수 있다. 척추손상을 입은 사람들에 이 기술은 운동을 조절할 수 있는 뇌의 복잡한 신호를 읽어낼 수 있으며 이 신호를 건강한 근육이나 인공보조장비에 보낼 수 있다. 이번 연구논문의 저자인 필라델피아의 펜실베니아 의대 (University of Pennsylvania School of Medicine)의 신경학 교수인 브라이언 리트 (Brian Litt) 박사는 “우리 연구는 초박막 배열을 만들어 뇌의 복잡한 모양을 따라 그 형태를 만들 수 있도록 하는데 초점을 맞추었다. 그리고 이를 통해서 뇌조직 손상과 염증발생을 최소화했다”고 말했다. 비단을 기본 재질로 한 이 이식장치는 뇌와 같은 수축된 외피를 감쌀 수 있어 뇌의 홈을 따라 들어갈 수 있고 둥근 외피를 따라 펼칠 수 있다. 이 이식장비는 500 마이크론 두께의 금속 전극을 포함하고 있으며 이것은 인간의 머리카락 보다 다섯 배 정도 두껍다. 이 장비는 날카롭고 단단한 전극을 갖고 있지 않기 때문에 안전성이 증가되었으며 뇌조직에 대한 손상이 적다. 또한 이 이식장비는 뇌표면의 형태에 따라 접착이 가능하기 때문에 좀더 안정적이다. 때때로 뇌는 두개골 안에서 변화하기 때문에 이식장치도 뇌의 변화와 함께 이동할 수 있다. 그리고 이 장치는 뇌표면에 넓게 펼쳐질 수 있기 때문에 이 장치는 잠재적으로 뇌세포의 거대한 네트워크의 활동을 찾아낼 수 있다고 리트 박사는 말했다. 이 장치의 유연성 뿐 아니라 비단재질의 장치는 전극이나 다른 전자장치로 사용하기 위해 얇은 금속으로 된 줄의 패턴을 만들기에 충분할 만큼 내구성이 있기 때문에 기본물질로 선택되었다. 이 장치는 또한 염증반응을 피할 수 있도록 제작되었고 통제된 시간이 지나게 되면 즉각 용해되어 사라지게 된다. 전극칩은 일종의 플라스틱인 폴리이미드 (polyimide)와 비단의 층위에 프린트하여 뇌에 정확하게 위치시킬 수 있다. 이 비단재질의 이식장치를 만들어 테스트하기 위해 리트 박사는 일리노이 주립대학 어바나-샴페인 (University of Illinois in Urbana-Chanpaign)과 보스턴의 터프츠 대학 (Tufts University)의 과학자들과 협력연구를 수행했다. 일리노이 주립대학의 물질과학공학 교수인 존 로저스 (John Rogers) 박사는 유연한 전극을 발명했다. 그리고 터프츠 대학의 생의학공학 교수인 데이비드 캐플란 (David Kaplan)과 피오렌조 오메네토 (Fiorenzo Omenetto)는 인간조직과 용화될 수 있는 비단기술을 개발했다. 리트 박사는 전자장비와 비단기술을 이용하여 이식장치를 제작했으며 이것은 일리노이 주립대학에서 제조되었다. 최근 이 연구팀은 심장의 상태를 기록하고 비정상적인 심장박동을 찾아낼 수 있는 유연한 실리콘 장치를 제작한 바 있다. 이번 연구에서 과학자들은 비단재질의 필름으로 된 기구를 최적화하여 뇌를 덮을 수 있도록 제작하는 방법을 선택했다. 이들은 복잡한 물체와 두뇌모델 그리고 궁극적으로 살아있는 마취된 동물을 대상으로 하여 다양한 두께의 전극칩을 테스트했다. 이 전극칩은 초극막 폴리아민층위 (비단기반과 함께 또는 비단기반이 없는 상태로)에 5x6패턴에 30여개의 전극으로 이루어지도록 고안했다. 이들 실험을 통해 폴리아민과 비단으로 이루어진 전극칩을 개발하였으며 일단 뇌와 접촉하게 되면 용해되도록 만들었다. 그래서 이 전극칩은 뇌의 형태에 따라 완전하게 접착될 수 있었다. 그 다음에 연구자들은 이 이식장치가 실험동물의 뇌활동을 기록할 수 있는지 여부를 조사했다. 시각적인 자극을 통해 뇌의 시각담당부분의 신호를 기록하여 연구자들은 이 초극막 폴리아민-비단칩은 두꺼운 이식장치보다 더 강력하게 신호를 잡아낼 수 있다는 사실을 발견했다. 앞으로 연구자들은 좀더 높은 질의 기록을 얻기 위해 전극이 많이 부착된 이식장치의 개발을 기대하고 있다. 로저스 박사는 “비단에 기반한 이식장치를 압축하여 카테터를 이용하여 뇌에 이식하여 고성능의 장치를 개발할 수 있을 것이다”고 주장했다. 이번 연구는 국립보건연구원 (NIH)의 NINDS와 국립 생의학 이미징 바이오공학 연구소 (National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, NIBIB), 미국 에너지부 산하 물질과학분과 (Division of Material Sciences), 미육군의 방어기술개발연구청 (Defense Advanced Research Project Agency, DARPA)와 클린겐스타인 재단 (Klingenstein Foundation)의 지원을 받아 이루어졌다. 사진설명: 신경전극칩이 두뇌모델을 둘러싸고 있다. 이 과정은 얇은 비단재질이 용해되면서 두뇌에 접착된다. 출처: “Science Daily” 2010년 4월 18일 원문출처: Kim et al. Dissolvable films of silk fibroin for ultrathin conformal bio-integrated electronics. Nature Materials, 2010; DOI: 10.1038/nmat2745 brain.jpg 출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2010/04/100418155449.htm