손상없이 신경계와 연결되는 유연한 전자 이식

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-12

스위스 연구자들이 유연한 전자 이식을 이용하여 쥐를 다시 걷도록 만들었다. 오늘날 의학은 휠체어를 제어하기 위하여 뇌의 신호를 읽거나, 척수외상을 우회하는 전자기술을 사용하기 위하여 모든 종류의 계획을 받아들이고 있다. 그러나 신경계와 상호작용할 수 있는 이식에 대한 대부분의 아이디어는 전선이 딱딱한 반면에 신체는 부드럽다는 기본적인 재료의 문제와 맞닥뜨리게 된다. 이러한 문제는 스위스의 로잔 공대(EPFL: Ecole Polytechnique Federale, in Lausanne) 연구자들에게 부드럽고 유연한 전자 이식을 설계하도록 동기를 부여하였다. 이러한 전자 이식은 뇌와 척수를 둘러싸는 막(membrane)인 경뇌막(dura mater)과 동일하게 구부러지거나 늘어나는 능력을 가진다고 연구자들이 말했다. 그레구아르 쿠르틴(Gregoire Courtine)을 포함하는 과학자들은 이전에 이식을 수행하여 척추 부상을 입은 쥐가 다시 걷도록 할 수 있었다. 이는 척추 내부에 위치한 전극을 통하여 척수에 전기 충격의 패턴을 보내서 달성되었다. 그러나 딱딱한 전선은 결국 쥐의 신경계를 손상시켰다. 그래서 그레구아르 쿠르틴은 전기공학자인 스테파니 라쿠르(Stephanie Lacour)와 협력하여 `에두라(e-dura)`라고 불리는 새로운 이식을 창안하였다. 에두라는 연구자들이 약을 전달할 수 있는 미세 채널뿐만 아니라 유연한 실리콘, 신축성 있는 금실(gold wire), 백금 반점이 있는 고무 전극 등으로 만들어졌다. 이러한 연구는 현재 진행 중인 유연 전자기술(flexible electronics)의 진보에 기초하여 이루어졌다. 다른 과학자들은 피부의 특성과 맞는 패치(patch)를 만들었으며, 여기에는 회로, 센서, 심지어 무선 통신 장치 등이 포함된다. 이번 연구에서 새로운 것은 신축성 있는 전자기술을 신경으로 신호를 송수신하는 새로운 방법을 창안하려는 노력들과 어떻게 통합할 것인가에 관한 것이다. "모든 사람이 뇌 및 신경계와 정확하게 상호작용할 수 있기를 원하기 때문에 연구자들은 한계까지 밀어붙이고 있다"고 신경 조직과 상호작용하는 다른 방법으로 초경박 섬유 광학 실(ultrathin fiber-optic thread)을 개발한 미국 매사추세츠 공대(MIT)의 재료 과학자인 폴리나 아니키바(Polina Anikeeva)가 말했다. 금속 또는 플라스틱으로 만든 전극이 종국적으로 손상을 유발하거나 작동이 중지되는 이유는 이들이 압축과 조직 손상을 야기하기 때문이다. 비록 아주 얇더라도 딱딱한 이식은 척수가 하는 것처럼 늘어나지 않을 것이다. "딱딱한 이식은 조직에 맞서서 미끄러지고, 많은 염증을 야기한다. 당신이 신발 끈을 묶기 위하여 구부릴 때 척수도 몇 퍼센트 정도 늘어난다"고 스테파니 라쿠르가 말했다. 이번에 개발한 이식은 고무와 아주 진한 액체 사이의 어딘가에 위치하는 점탄성(viscoelasticity)이라 불리는 인간 조직의 특성을 모사한다. 예를 들어 힘으로 인간의 손에 있는 피부를 꼬집을 때 변형이 일어나지만, 다시 제자리로 돌아온다. 스위스의 과학자들은 유연한 이식을 이용하여 척수를 감싸고 뒷다리를 움직이도록 전기 신호를 보내서 쥐가 가진 척추 손상을 극복할 수 있었다고 미국의 전문 과학 학술지인 사이언스(Science)에 2015년 1월 9일자로 발표하였다. 또한, 과학자들은 이러한 과정을 개선하기 위하여 화학물질을 내보냈다. 두 달 후에 통상적인 전극과 비교하여 조직 손상의 징후는 거의 보이지 않았다. 통상적인 전극을 사용하는 경우 결국 면역 반응을 야기하고 쥐의 이동 능력을 악화시키게 만들었다. 이러한 종류의 연구가 가지는 궁극적인 목표는 마비된 사람이 걷는 능력을 회복하게 만들 수 있는 이식을 구현하는 것이다. 이러한 목표의 실현은 아직 요원하지만, 아마도 유연한 전자기술이 포함될 것이라고 스테파니 라쿠르가 전했다. "만약 당신이 환자를 위한 치료법을 사용한다면 이러한 치료법이 몸속에도 오래 지속되기를 원한다. 만약 신경 조직의 특성과 부합시킬 수 있다면, 우리는 더 나은 접속(interface)을 가지게 될 것"이라고 스테파니 라쿠르가 덧붙였다. [관련 논문의 서지 정보] Ivan R. Minev, Pavel Musienko, Arthur Hirsch, Quentin Barraud, Nikolaus Wenger, Eduardo Martin Moraud, Jerome Gandar, Marco Capogrosso, Tomislav Milekovic, Leonie Asboth, Rafael Fajardo Torres, Nicolas Vachicouras, Qihan Liu, Natalia Pavlova, Simone Duis, Alexandre Larmagnac, Janos Voros, Silvestro Micera, Zhigang Suo, Gregoire Courtine, and Stephanie P. Lacour, "Electronic dura mater for long-term multimodal neural interfaces," Science, 9 January 2015, Vol. 347 no. 6218 pp. 159-163. DOI: 10.1126/science.1260318 2015-01-09_Bend1.JPEG http://www.technologyreview.com/news/533971/a-bendable-implant-taps-the-nervous-system-without-damaging-it/