고려대학교 의과대학(학장 편성범) 융합의학교실 조일주 교수 연구팀과 경북대학교 IT대학 전자공학부 신효근 교수 연구팀이 뇌를 정밀하게 자극해 뇌 기능을 조절하고 간편하게 머리에 붙이는 형태의 새로운 광유전학 기반 시스템을 개발했다. 이 연구는 뇌 질환 치료와 뇌 기능 개선을 위한 신경 조절 기술의 새로운 지평을 열었으며, 연구 결과는 세계적 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>에 게재됐다.
기존 비침습 뇌 전기자극 기술은 자극 범위가 넓고 정밀한 조절이 어려워, 치료 효과에 한계를 보였다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 광민감 단백질(opsins)과 상향변환입자(upconversion particle)를 활용해 밀리미터 범위 내의 뇌 영역에서 신경 세포를 활성화하거나 억제하는 새로운 시스템을 개발했다. 적색광으로 신경을 활성화(ReaChR)하고, 근적외선(NIR)을 통해 신경 활동을 억제(stGtACR2)할 수 있는 양방향 조절 방식을 구현했다. 또한, 초소형 무선 광전자 장치를 개발해 실험동물이 자유롭게 움직이는 상태에서도 휴대폰으로 다중 뇌 부위의 정밀한 신경 조절을 가능하게 했다.
연구팀은 다양한 동물 실험을 통해 이 기술의 효용성을 확인했다. 실험에서 개발된 기술은 동물의 움직임을 정밀하게 제어하고, 특정 행동을 유도하거나 억제할 수 있었다. 예를 들어, 뇌의 운동 영역(M2)과 상구 영역(SC)을 선택적으로 자극함으로써 동물의 움직임을 휴대폰으로 제어했다. 또한, 뇌의 중간 전두피질(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.
이번 기술은 신경 퇴행성 질환 치료 가능성에서도 중요한 진전을 보였다. 연구팀은 파킨슨병 동물 모델에서 운동 능력 회복을 목표로 기술을 적용했다. 운동 영역(M2)과 중간선조체(dmST)에 각각 광민감 단백질과 상향변환 입자를 주입한 후, 적색광과 근적외선을 이용해 해당 부위의 신경을 활성화했다. 그 결과, 머리에 붙이는 형태의 뇌 자극기를 이용하여 파킨슨병 증상인 운동 저하가 개선되었음을 밝혔다. 기존에는 뇌에 전극을 심어 파킨슨병과 떨림을 치료하는 뇌심부 자극술이 주로 사용됐으나, 이번 연구는 머리에 부착하는 형태의 안전한 시스템으로 이를 대체할 가능성을 입증했다.
연구책임자인 고려대 의대 조일주 교수는 “이번 연구는 비침습적으로 안전하게 뇌를 정밀 자극하여 뇌 기능 개선 및 뇌 질환 치료의 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다”라며, “향후 이 기술이 다양한 뇌 기능 연구와 치료에 활용될 것으로 기대한다”라고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오의료기술개발사업과 뇌기능규명‧조절기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 네이처(Nature) 자매지인 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)(IF=14.7)> 11월 30일자 온라인 판에 ‘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.
