국내 연구진이 안전하고 효율적으로 신경세포를 전기적으로 자극 할 수 있는 신경전극 개발에 성공했다. 이에 따라 향후 뇌졸중 등 뇌신경계 질환자의 기능회복과 뇌 학습 연구 등에 탄력을 받을 전망이다.

ETRI(한국전자통신연구원)는 스펀지처럼 구멍을 많이 뚫은 다공성(多孔性) 금(Au) 나노구조체와 이리듐(Ir) 산화물 나노박막을 결합, 신경세포에 전기자극이 가능한 신경전극 구조를 만들었다. 또한 제작기술도 개발, 학술지 나노 레터(Nano Letters)에 지난달 13일자로 게재되었다고 1일 밝혔다.

본 기술은 뇌신경 질환자들의 재활과 뇌 학습 이해에 목적을 두고 개발되었다.

뇌 신경연구를 위해서는 뇌신경 신호를 고감도로 검출이 가능하고 신경조직을 효율적으로 자극도 할 수 있는 신경전극이 필요하다.

하지만 기존 백금이나 나노입자, 나노선 등으로 만들어진 신경전극은 표면적이 작아 전하주입 효율이 낮고, 기계적 강도가 현저히 떨어진다는 단점이 있었다.

이에, ETRI는 그동안 전극 크기는 작지만 잡음(noise)이 크지 않으면서 효율적인 전기 자극이 가능한 전극을 구현하기 위하여 노력해 왔다.

이를 위해 연구진은 평면 전극에 스펀지와 같은 50 nm(나노미터) 구멍크기의 다공성 금 나노구조체를 형성하고, 10 nm 이하의 두께로 이리듐 산화물을 나노구조체 표면에 얇게 코팅하는 공정을 개발했다.

그 결과, 신호 감도가 뛰어나고 동시에 전기 자극 효율이 향상된 신경전극을 개발할 수 있었다.

이를통해 다공성 금 나노구조체와 이리듐 산화물을 결합함으로써 시너지를 얻어 전극의 성능을 향상시키는데 성공한 셈이다.

또한 연구진은 개발한 전극을 쥐의 뇌신경조직에 적용, 자극 반응에 따른 신경 신호를 측정한 결과 0.1 V(볼트)의 아주 낮은 자극에서도 반응 신호 검출이 가능했다.

아울러, 3~5 V의 자극에 활발하게 반응함도 확인했다. 연구진은 뇌신경에 공급되는 전하주입효율이 세계적으로 15% 이하의 수준이었는데, 연구진은 이를 25%까지 끌어올렸다고 밝혔다.

아울러 ETRI가 개발한 전극 제작 기술은 인체 삽입용으로 개발 중에 있는 유연전극 및 침 전극에도 손쉽게 적용 가능한 공정이다. 향후 본 기술은 뇌 과학 분야 등 발전에 큰 기여를 할 것으로 연구진은 기대했다.

ETRI가 개발한 신경전극 제작 기술의 경우 모두 전기화학적 방법을 사용하기 때문에 비용이 적게 들고 다공성 제어 및 이리듐 산화물 박막 두께 등 다양한 변수들의 조절이 쉬운 장점을 가지고 있다.

ETRI는 본 기술을 바탕으로 향후 뇌 이식용 유연 신경전극 제작 기술을 중점 연구개발 계획이다. 또한 전 임상 및 임상 협력 시험을 통해 의학적인 효용성을 검증할 예정이라고 밝혔다.

연구진은 개발 전극 이외에 다채널 신경신호를 측정 및 분석하고 다양한 자극 기능을 가지는 연구 장비도 자체 개발했다.

현재, 연구장비는 국내 대학 및 외국에서 공동연구용으로 활용중이다. 연구진은 5년 내 개발한 신경전극과 연구 장비를 상용화 한다는 계획이다.

이번 논문의 제1저자는 ETRI 시냅스소자창의연구실 김용희 박사, 2저자는 김국화 선임연구원, 그리고 교신저자는 정상돈 박사다. 아울러 논문에는 원광대학교 의과대학 김민선 교수가 연구에 참여했다.

ETRI 정상돈 시냅스소자창의연구실장은“향후 고 신뢰성 뇌-컴퓨터 양 방향 인터페이스를 구현할 계획이며, 관련 기술의 보급은 국내 뇌 과학 수준의 제고, 뇌질환자의 기능 회복을 통한 고령화 대응, 그리고 분산형 인공지능 시스템 구현에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

원광대학교 의과대학 김민선 교수도 “본 기술은 중추신경계 질환을 치료할 수 있는 뇌신경 변조술의 개발 뿐 만 아니라 뇌 흥분성을 탐지• 분석하는 전기생리검사 시스템의 개발 측면에서도 상당한 의미가 있다”고 말했다.

본 연구는 미래창조과학부의 정부출연금사업과 미래융합 파이오니아 사업의 지원으로 개발되었다.