초소형·경량 소자로 쥐 뇌에 초음파 자극 가능… 이현주 KAIST 교수 연구팀 성과

이현주 교수 연구팀.

이현주 KAIST(총장 신성철) 전기·전자공학부 교수 연구팀이 초소형·경량화한 미세 초음파 소자를 통해 움직이는 쥐의 뇌에 초음파 자극을 줄 수 있는 기술을 개발했다.

연구팀은 1g 미만의 초경량 초음파 소자 개발을 통해 움직이는 쥐의 뇌 초음파 결과를 얻는 데 성공했다. 쥐 무게의 6배에 달하는 기존 초음파 변환기로는 움직이는 쥐에서 해당 데이터를 얻을 수 없었던 한계를 극복한 것이다.

김형국 석사가 주도하고 김성연 석사과정과 덴마크 공대 티어샤 교수 연구팀이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '브레인 스티뮬레이션' 11월 17일자 온라인판에 게재됐고, 3월자 12권 2호에 출판될 예정이다.

초음파 자극 기술은 비침습적이고 극소부위 자극이 가능해 차세대 뇌 자극 기술로 최근 주목을 받고 있다. 하지만 아직 개발 초기 단계인 까닭에 지금까지는 쥐를 고정한 상태에서의 연구 결과만 발표됐다. 뇌 자극 관련 연구는 동물의 행동실험이 필수적임에도 불구하고 무거운 초음파 소자 때문에 쥐를 고정 및 마취해야 하는 난점이 있었다.

정전용량형 미세 초음파 소자의 (a-c) 구조 및 (d) 2D 시뮬레이션 빔 형.

연구팀은 미소 전자 기계 시스템 기술을 통한 정전용량 미세 초음파 소자의 초소형, 초경량화를 연구했다. 쥐의 구조에 맞는 중심 주파수, 크기, 초점 거리, 초음파 세기를 갖는 1g 미만의 소자와 행동실험에 적합한 실험 장치를 제작했다.

이후 초음파 소자의 성능 평가를 위해 쥐 뇌의 운동 피질을 자극해 쥐의 앞발이 움직이는 운동 반응을 확인하고 승모근의 근전도를 측정했다.

연구결과 초음파의 강도를 높일수록 운동 피질을 자극할 때 나오는 쥐의 앞발이 움직이는 현상이 더 자주 발생한다는 점이 드러났다. 초음파가 세지면서 반응의 성공률이 높아지는 결과를 얻어냈다.

개발된 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.

이현주 KAIST 교수는 "머리를 고정하고 마취를 매번 시켰던 동물실험 방식을 벗어나 움직이는 쥐의 초음파 뇌 자극이 처음으로 가능해졌다"며 "향후 수면장애·파킨슨병·치매·우울증 등 여러 뇌 질환의 새로운 치료법 연구와 특이적 뇌 회로 규명에 광범위하게 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.
한윤창 기자 storm0238@