우리가 무언가를 기억하고 새로운 것을 배우는 순간, 뇌 속에서는 수많은 신경세포가 신호를 주고받는다. 그렇다면 기억과 학습에 관여하는 뇌 속 물질은 약을 먹었을 때 어떻게 달라질까? 최근 미니돼지 실험에서 알츠하이머병 치료제 투여 후 신경전달물질의 변화 과정을 확인한 연구가 발표돼 주목받고 있다.
이 기술은 어떤 일을 할 수 있을까?
이식형 신경 프로브.
[사진=KAIST] 신경칩으로 뇌 속 아세틸콜린 변화 실시간 추적 한국과학기술원 기계공학과 장경인 교수 연구팀 등 공동 연구팀은 뇌에 심은 신경칩으로 신경전달물질인 아세틸콜린의 변화를 실시간 추적했다는 연구 결과를 국제 학술지 'Device'에 게재했다.
아세틸콜린은 신경세포 사이에서 정보를 전달하며 기억과 학습에 중요한 역할을 하는 물질이다.
알츠하이머병 치료제인 도네페질은 아세틸콜린을 분해하는 효소의 작용을 억제해, 이 물질이 더 오래 작용하도록 돕는다.
약물 투여 후 뇌의 특정 부위에서 아세틸콜린이 어떻게 변하는지 살펴보면 약물의 작용을 이해하는 데 도움이 된다.
제품 기능에서 확인할 내용은?
연구팀은 개발한 신경칩을 미니돼지의 전전두피질에 삽입하고, 도네페질을 투여한 뒤 아세틸콜린 신호를 무선으로 측정했다.
전전두피질은 판단과 주의, 기억 등 인지 기능에 관여하는 뇌 영역이다. 그 결과, 약물 투여 후 아세틸콜린 신호가 증가했다가 서서히 회복되는 과정이 관찰됐다.
뇌의 특정 부위에서 일어나는 화학적 반응을 몸 밖에서 연속적으로 확인한 것이다. 실험 원리.
[사진=Jieun Son et al.] 뇌 반응 읽고 자극 조절…차세대 신경 인터페이스 가능성 감지 기술의 핵심은 신경전달물질의 변화를 전기 신호로 바꾸는 감지층이다.
이 대목에서 확인할 내용은 무엇일까?
연구팀은 미세한 구멍이 많은 키토산에 은과 백금으로 만든 아주 가는 나노선을 결합했다.
구멍이 많은 구조는 아세틸콜린을 감지하는 효소가 넓게 붙도록 돕고, 나노선은 효소 반응으로 생긴 물질을 전기 신호로 바꾸는 역할을 한다.
다른 물질의 신호가 섞이는 것을 줄이기 위한 장치도 마련했다.
뇌에 삽입하는 가느다란 탐침 양쪽에 효소가 있는 전극과 없는 전극을 각각 배치했다.
두 전극의 신호를 비교해 공통으로 잡히는 간섭을 줄이고 아세틸콜린의 변화를 구분하는 방식이다. 측정값은 소형 회로를 거쳐 블루투스로 외부 기기에 전달된다.
이 신경칩은 뇌 속 변화를 감지하면서 빛으로 신경세포를 자극할 수도 있다.
어떤 기능이 소개됐을까?
연구팀은 별도의 생쥐 실험에서 칩에 내장된 초소형 발광다이오드로 빛 자극을 주었을 때 아세틸콜린 신호가 증가하는 것을 확인했다.
해당 연구는 뇌의 반응을 확인하며 자극을 조절하는 폐회로형 신경 인터페이스 연구에도 기반이 된다.
뇌에 자극을 준 뒤 센서로 변화를 읽고, 그 결과에 따라 다음 자극의 세기나 시점을 조절하는 방식이다.
다만 이번 연구는 동물의 뇌에서 신경전달물질의 변화를 측정한 것으로, 알츠하이머병 치료 효과나 기억력 개선을 확인한 것은 아니다.
사람에게 적용하려면 뇌에 오래 삽입해도 안전한지, 측정 성능이 안정적으로 유지되는지 등을 추가로 검증해야 한다.
이어지는 이야기에는 무엇이 담겼을까?
연구팀은 "이번 기술은 뇌 질환 치료제가 뇌에서 어떻게 작용하는지 살펴보는 연구에 활용될 수 있다"며 "약물의 양이나 투여 간격을 바꿨을 때 뇌 속 신경전달물질의 반응이 어떻게 달라지는지 비교하는 데 도움이 될 것"이라 기대했다.
장경인 교수는 "앞으로 치료제가 뇌에서 어떻게 작용하는지 살피고, 뇌 상태에 맞는 자극 방법을 찾는 데 활용될 것"이라 기대했다.
출처 : Device [관련글 더 보기] “환자 대신 ‘칩’이 먼저 항암제 맞아본다”…교모세포종 맞춤형 칩 개발 같은 뇌종양 증상을 겪고 같은 항암제를 사용하더라도 환자마다 치료 효과는 다르게 나타날 수 있다.
앞으...
- 이식형 신경 프로브.
- 연구팀은 개발한 신경칩을 미니돼지의 전전두피질에 삽입하고, 도네페질을 투여한 뒤 아세틸콜린 신호를 무선으로 측정했다.
- 연구팀은 미세한 구멍이 많은 키토산에 은과 백금으로 만든 아주 가는 나노선을 결합했다.
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