조일주 고려대 의대 융합의학교실 교수, 신효근 경북대 IT대학 전자공학부 교수팀은 뇌를 정밀하게 자극해 뇌 기능을 조절하는, 간편하게 머리에 붙이는 형태의 새로운 광유전학 기반 시스템을 개발했다고 5일 밝혔다. 

기존 비침습적 뇌 전기자극 기술은 자극 범위가 넓고 정밀한 조절이 어려워, 치료 효과에 한계를 보였다. 연구팀은 이런 한계를 극복하고자 광민감 단백질(opsins)과 상향변환입자(upconversion particle. UCPs)를 활용해 밀리미터 범위 내의 뇌 영역에서 신경세포를 활성화하거나 억제하는 새로운 시스템을 개발했다. 즉 적색광으로 신경을 활성화하고(ReaChR 옵신 자극), 근적외선(NIR)으로 신경활동을 억제(stGtACR2 옵신 자극)하는 양방향 조절 방식을 구현했다. 초소형 무선 광전자 장치를 개발해 실험동물이 자유롭게 움직이는 상태에서도 휴대폰으로 여러 뇌 부위에서 정밀한 신경조절이 가능하게 했다.

연구팀은 다양한 동물실험을 통해 이 기술의 효용성을 확인했다. 실험에서 신기술은 동물의 움직임을 정밀하게 제어하고, 특정 행동을 유도하거나 억제할 수 있었다. 예를 들어 뇌의 운동영역(M2)과 중뇌 상구영역(superior colliculus, SC, 주로 시각을 담당)을 선택적으로 자극함으로써 동물의 움직임을 휴대폰으로 제어했다. 또 뇌의 중간 전두피질(medial prefrontal cortex, mPFC)을 자극해 경쟁의지를 높이거나 경쟁을 피하게 유도하여, 인위적으로 경쟁에서 이기거나 지게 만들 수 있었다. 이 과정에서 두 개의 서로 다른 광민감 단백질을 활용해 하나의 뇌 영역에서 신경을 활성화하거나 억제하는 ‘양방향 광유전학 조절’이 가능함을 파악했다.

이 기술은 신경퇴행성질환 치료 가능성도 보여줬다. 연구팀은 파킨슨병 동물모델에서 운동 능력 회복을 목표로 기술을 적용했다. 운동영역(M2)과 중간선조체(dorsomedial striatum, dmST)에 각각 광민감 단백질과 상향변환 입자를 주입한 후, 적색광과 근적외선을 이용해 해당 부위의 신경을 활성화했다. 그 결과, 머리에 붙이는 형태의 뇌 자극기를 이용해 파킨슨병 증상인 운동 저하가 개선됐음을 확인했다. 현재 뇌에 전극을 심어 파킨슨병과 떨림을 치료하는 뇌심부자극술이 널리 시행되고 있으나, 이번 연구는 머리에 부착하는 형태의 안전한 시스템으로 이를 대체할 가능성을 입증했다.

 조일주 고려대 의대 융합의학교실 교수, 신효근 경북대 IT대학 전자공학부 교수

조일주 교수는 “이번 연구는 비침습적으로 안전하게 뇌를 정밀 자극하여 뇌 기능 개선 및 뇌 질환 치료의 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “다양한 뇌 기능 연구와 치료에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications, IF=14.7) 11월 30일자 온라인판에 ‘여러 뇌 영역에서 정확한 양방향 신경 조절을 위한 경두개 광유전적 뇌 자극기’(Transcranial optogenetic brain modulator for precise bimodal neuromodulation in multiple brain regions)라는 제목으로 게재됐다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오의료기술개발사업과 뇌기능규명‧조절기술개발사업 등의 지원을 받았다.