“뇌에 칩 심었더니” 치매약 반응 측정 성공…KAIST, 무선 신경칩 개발

[헤럴드경제=구본혁 기자] 알츠하이머병 치료제를 투여한 뒤 뇌 속에서 일어나는 변화를 실시간으로 확인할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 향후 치매 신약 개발과 환자별 뇌 상태에 맞춘 정밀 치료 기술 개발에 활용될 전망이다.

KAIST는 기계공학과 장경인 교수 연구팀이 대구경북과학기술원(DGIST), 한국뇌연구원(KBRI), 한국생명공학연구원(KRIBB)과 공동으로 뇌 속 신경전달물질을 실시간 감지하고 빛으로 신경세포를 자극할 수 있는 이식형 무선 신경칩을 개발했다고 27일 밝혔다.

이번 연구의 핵심은 뇌 속 신경전달물질인 ‘아세틸콜린’의 변화를 외부에서 무선으로 확인할 수 있다는 점이다.

아세틸콜린은 신경세포 사이에서 정보를 전달하며 기억과 학습, 주의력 등 인지 기능에 중요한 역할을 한다. 알츠하이머병 치료제인 ‘도네페질’은 아세틸콜린을 분해하는 효소를 억제해 뇌에서 이 물질이 더 오래 작용하도록 돕는다.

연구팀은 개발한 신경칩을 미니돼지의 전전두피질에 삽입한 뒤 도네페질을 투여했다. 전전두피질은 판단과 주의력, 기억 등 고차원적인 인지 기능을 담당하는 뇌 영역이다.

실험 결과 약물 투여 후 아세틸콜린 신호가 증가했다가 시간이 지나면서 서서히 회복되는 과정이 실시간으로 관찰됐다. 기존의 뇌 전기신호 측정을 넘어 약물이 실제 뇌 조직에서 유발하는 화학적 변화를 연속적으로 추적한 것이다.

특히 이번 신경칩은 뇌 속 변화를 감지하는 데 그치지 않고 빛을 이용해 신경세포를 자극하는 기능까지 갖췄다.

연구팀은 별도로 진행한 생쥐 실험에서 신경칩에 내장된 초소형 LED로 빛 자극을 가했을 때 아세틸콜린 신호가 증가하는 것을 확인했다.

이는 뇌의 상태를 측정하고 그 결과에 따라 자극을 조절하는 ‘폐회로형 신경 인터페이스’ 개발에 활용될 수 있는 기술이다.

기존 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)가 주로 신경세포의 전기신호를 분석했다면, 이번 기술은 신경전달물질이라는 화학적 정보까지 측정할 수 있다는 점에서 차별화된다.

향후 알츠하이머병뿐 아니라 파킨슨병, 우울증, 뇌전증 등 신경전달물질 이상과 관련된 다양한 뇌질환 연구에도 활용될 것으로 기대된다.

신약 개발 과정에서도 활용도가 높을 전망이다. 후보물질이 뇌의 표적 부위에서 실제로 작용하는지, 약물 투여량과 간격에 따라 신경전달물질의 반응이 어떻게 달라지는지 전임상 단계에서 직접 확인할 수 있기 때문이다.

다만 이번 연구는 동물실험에서 약물에 따른 신경전달물질 변화를 측정한 것으로, 실제 알츠하이머병 치료 효과나 기억력 개선을 입증한 것은 아니다. 인체 적용을 위해서는 장기 이식 안전성과 측정 성능의 안정성 등을 추가 검증해야 한다.

연구팀은 장경인 교수가 창업한 엔사이드 주식회사를 통해 기술사업화에도 나선다. 엔사이드는 침습형 BCI 전극과 이식형 소자 개발 경험을 바탕으로 의료기기 인허가와 임상 적용에 필요한 검증을 단계적으로 추진할 계획이다.

장경인 교수는 “이번 연구는 뇌 속 변화를 읽고 그 반응에 맞춰 자극을 조절하는 기술로 나아갈 기반을 마련했다”며 “뇌질환 치료제가 실제 뇌에서 어떻게 작용하는지 확인하고 환자별 뇌 상태에 맞는 자극 방법을 찾는 데 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.