KAIST, 움직이는 쥐에 초음파 뇌 자극 실험 성공

[글로벌이코노믹 이재구기자 이수연 인턴 기자] KAIST는 이 대학 이현주 전기·전자공학부 교수 연구팀이 초소형 미세 초음파 소자(CMUT)로 자유롭게 움직이는 쥐의 뇌에 초음파 자극을 주는 기술을 개발했다고 11일 발표했다. 이는 이는 향후 수면장애, 파킨슨병, 치매 등의 뇌 질환 관련 치료법 연구에 적용될 전망이다.

이 교수 연구팀은 1g 미만의 초경량 초음파 소자 개발을 통해 움직이는 쥐의 뇌 초음파 결과를 얻는 데 성공했다. 이 성과는 지금까지 쥐 무게의 6배에 달하는 초음파 변환기 밖에 없어 움직이는 쥐의 뇌를 자극하기 어려웠던 기술적 한계를 극복한 것이다.
최근들어 비침습적이며 국소 부위 자극이 가능한 초음파 자극 기술이 차세대 뇌 자극 기술로 주목받고 있다. 초음파는 비침습적이기 때문에 동물실험뿐만 아니라 인체에도 안전하게 적용할 수 있어 임상 시험에 활용되며 초음파 집속을 통해 국소부위 자극과 심부 자극이 모두 가능해 다른 기술에 비해 많은 이점을 가진다.

초음파 뇌 자극 기술은 개발 초기 단계여서 지금까지는 쥐에 소자를 고정한 상태의 연구 결과만 발표됐다. 뇌 자극 관련 연구시 움직이는 동물의 행동실험이 필수적임에도 불구하고 무거운 초음파 소자 때문에 쥐를 고정하거나 마취해야만 했다.
이현주 교수팀은 미소 전자 기계 시스템(MEMS) 기술을 통한 정전용량 미세 초음파 소자(CMUT)의 초소형·초경량화에 주력했다. 이를 바탕으로 쥐의 구조에 맞는 중심 주파수, 크기, 초점 거리, 초음파 세기를 갖는 1g 미만의 소자와 행동실험에 적합한 실험 장치를 제작했다. 이어 초음파 소자의 성능 평가를 위해 쥐 뇌의 운동 피질(motor cortex)을 자극해 쥐의 앞발이 움직이는 운동 반응을 확인하고 승모근의 근전도를 측정했다.

이들은 초음파의 강도를 높일수록 운동 피질을 자극할 때 나오는 쥐의 앞발이 움직이는 현상이 더 자주 발생함을 확인했다. 결과적으로 초음파가 세지면서 반응의 성공률이 높아지는 결과를 얻어냈다.

연구팀의 초음파 소자는 쥐 뇌의 3~4mm 깊이까지 초음파가 전달되고 쥐 뇌 전체 크기의 25% 영역을 자극할 수 있다. 이 교수 연구팀은 향후 자극 범위를 국소화해 소형 동물 뇌의 단일 영역도 특이적으로 자극할 수 있는 차세대 뉴로툴 기술을 개발할 계획이다. 아울러 움직이는 쥐의 결과를 실시간으로 얻어낸 이번 연구 결과를 토대로 초음파가 수면에 미치는 영향을 연구 중이다. 향후 수면 연구뿐 아니라 다양한 행동실험 연구에 초음파 자극 기술을 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

이 교수는 “머리를 고정하고 마취를 매번 시켰던 동물실험 방식을 벗어나 움직이는 쥐의 초음파 뇌 자극이 처음으로 가능해졌다”라며 “향후 수면장애, 파킨슨병, 치매, 우울증 등 여러 뇌 질환의 새로운 치료법 연구와 특이적 뇌 회로 규명에 광범위하게 적용될 수 있을 것이다”라고 말했다.

김형국 석사가 주도하고 김성연 석사과정과 티어샤(Thielscher) 덴마크 공과대학교 (DTU) 교수 연구팀이 참여한 이 연구결과는 국제 학술지 ‘브레인 스티뮬레이션(Brain Stimulation)’ 11월 17일자 온라인판에 게재됐고 3월자 12권 2호에 출판될 예정이다.


이수연 기자 swoon77@g-enews.com