KAIST 기계공학과 장경인 교수 연구팀이 신경전달물질인 아세틸콜린을 감지하는 센서에 빛 자극 장치와 소형 무선 계측 기술을 결합한 이식형 신경칩을 개발했다.
아세틸콜린은 신경세포 간 신호 전달에 관여하며 기억과 학습 같은 인지 기능에 중요한 역할을 한다. 알츠하이머병 치료에 사용되는 도네페질은 아세틸콜린을 분해하는 효소를 억제해 해당 신경전달물질이 뇌에서 더 오래 작용하도록 만든다.
약물을 투여한 뒤 뇌의 특정 영역에서 아세틸콜린 농도와 신호가 어떻게 달라지는지 확인하면 치료제가 작동하는 원리를 파악하는 데 도움이 된다.
연구팀은 대구경북과학기술원, 한국뇌연구원, 한국생명공학연구원 연구진과 함께 개발한 칩을 미니돼지의 전전두피질에 이식했다. 이후 도네페질을 투여하고 뇌에서 나타나는 아세틸콜린 신호를 무선 방식으로 측정했다.
전전두피질은 판단력과 주의력, 기억 등 다양한 인지 기능을 담당하는 부위다. 실험 결과 약물 투여 직후 아세틸콜린 신호가 높아진 뒤 점차 원래 수준으로 돌아가는 변화가 관찰됐다. 뇌 특정 부위에서 진행되는 화학적 반응을 외부에서 지속적으로 추적한 셈이다.
개발된 신경칩은 신경전달물질의 변화를 감지하는 동시에 빛을 이용해 신경세포를 자극할 수 있다. 별도로 진행한 생쥐 실험에서는 칩에 탑재된 초소형 발광다이오드로 빛을 조사했을 때 아세틸콜린 신호가 증가하는 현상도 확인됐다.
이번 기술은 뇌 질환 치료제가 실제 뇌 안에서 어떤 방식으로 작용하는지 분석하는 연구에 활용될 전망이다. 약물의 투여량이나 투약 간격을 조정했을 때 신경전달물질의 반응이 어떻게 달라지는지 비교하는 데도 기여할 수 있다.
연구진은 뇌의 상태를 실시간으로 읽고 그 결과에 따라 자극을 조절하는 기술로 발전할 가능성이 있다고 설명했다. 향후 치료제의 뇌 작용을 분석하거나 개인의 뇌 상태에 맞는 자극 방식을 찾는 데 활용될 것으로 기대된다.
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