“서로 다른 다중전극칩 동시 측정”…韓 연구진, 표준 분석도구 개발

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 장비 제조사가 달라도 뇌 신경세포에서 측정한 전기신호를 동일한 기준으로 한 번에 분석할 수 있는 새 분석기술 확보에 성공했다.

국가독성과학연구소(KIT)는 박순현 동물대체연구센터장 연구팀이 순천향대·성균관대·부산대와 함께 서로 다른 제조사의 다중전극칩(MEA) 데이터를 하나의 방식으로 분석하는 오픈소스 분석 도구 ‘CASCADE(캐스케이드)’를 개발했다고 9일 밝혔다.

다중전극칩은 배양 신경세포나 뇌 오가노이드에서 발생하는 전기신호를 여러 전극으로 동시에 측정하는 장비다. 신경독성 평가와 동물대체시험 등에 활용되지만 제조사마다 데이터 형식과 분석 방식이 달라 연구 결과를 직접 비교하기 어렵다는 문제가 있었다.

CASCADE는 5개 제조사의 데이터를 하나의 분석체계에서 처리한다. 원본 데이터 입력부터 신경세포의 전기적 신호인 스파이크와 발화율, 네트워크 활성은 물론 ‘임계성’과 ‘뉴런 눈사태’까지 명령어 한 줄로 분석할 수 있다.

임계성은 신경망이 지나치게 조용하지도, 과도하게 흥분하지도 않은 경계 상태를 의미한다. 이 상태에서 정보 전달과 반응 범위가 최대화되는 것으로 알려져 신경망의 정보처리 능력을 가늠하는 지표로 활용된다. 뉴런 눈사태는 한 신경세포의 활동이 주변 신경세포로 연쇄적으로 퍼져나가는 현상으로, 그 규모와 지속시간을 통해 신경망 상태를 분석한다.

연구팀은 5개 제조사의 6개 실측 데이터를 이용해 성능을 검증했다. 장비와 파일 형식이 달라도 동일한 기준으로 임계성 값을 산출할 수 있었으며, 일부 제조사의 전용 소프트웨어와 비교한 스파이크 검출 성능도 동등한 수준을 보였다.

분석 속도와 효율성도 높였다. 일반 노트북에서 전체 분석에 약 5~20초가 걸렸으며 8.6GB에 달하는 대용량 데이터도 최대 352MB의 메모리만 사용해 처리했다.

이번 연구는 ‘원본 데이터→신경망 활성 분석→임계성 분류’ 전 과정을 표준화했다는 데 의미가 있다. 배양 신경세포와 뇌 오가노이드를 이용한 동물대체 신경독성 평가 결과를 서로 비교하기 쉬워지고 재현성과 신뢰성도 높일 수 있다는 설명이다.

향후 의약품이나 화학물질이 신경계에 미치는 부작용을 조기에 찾아내는 것은 물론 배양 신경망의 학습과 정보처리 능력을 정량화하는 ‘바이오 지능’ 연구에도 활용될 전망이다.

박순현 KIT 동물대체연구센터장은 “신경세포가 만들어내는 신호를 어떤 장비로 재든 같은 잣대로 읽을 수 있어야 비로소 과학적 비교가 가능하다”면서 “CASCADE는 그 공통의 잣대를 무료로 공개한 것이며, 이를 토대로 동물을 대체하는 신경독성 평가와 바이오 지능 연구가 한 단계 나아갈 수 있기를 기대한다”고 말했다.