카이스트, 신경칩 플랫폼 개발…뇌 질병 모델 구현 기대

신경 네트워크의 구조 및 기능을 조절하는 세 가지 조작 기술 모식도. (1) 새로운 신경 연결 생성을 위한 아가로즈 하이드로겔 국소적 제거. (2) 네트워크 간의 신경 연결 제거를 위한 신경돌기 광열 자극. (3) 기능적 연결 매핑을 위한 네트워크 활성 억제.[사진 = 카이스트]

신경 네트워크 연결을 실시간으로 조절할 수 있는 신경칩 플랫폼이 개발됐다.

다양한 뇌 질병과 손상, 재생 모델을 구현하는 데 활용도가 높을 것으로 기대된다.

카이스트(KAIST)는 바이오및뇌공학과 남윤기 교수 연구팀이 이러한 내용의 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

카이스트 바이오및뇌공학과 홍나리 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 12월 9일자에 게재됐다.

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이번 연구에서 개발된 나노 광열 신경칩 플랫폼은 신경 네트워크의 발달 및 성숙 과정의 원하는 시점과 위치에 구조적·기능적 변화를 유도해낼 수 있다.

신경 네트워크의 구조-기능 관계 규명을 위한 체외 신경 모델뿐만 아니라 다양한 뇌 질병, 손상, 재생 모델을 구현하는 데 있어 그 활용도가 높을 것으로 기대된다.

또한, 다양한 약리학적, 전기적, 광열 자극을 복합적으로 접목할 수 있어 이를 통한 뇌 신경 과학 분야 연구 및 질병에 대한 치료 전략 모색에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

지금까지 우리 뇌의 복잡한 구조를 모방하는 신경 네트워크 모델을 체외 조건에서 구현하기 위해 다양한 신경세포 형태화 기술이 개발돼왔다.

그러나 이러한 기술들은 배양 초기 단계에서 원하는 네트워크의 구조를 통제하는 것은 가능하나, 수 주에 걸친 세포 간 네트워크 형성 과정 중 네트워크 연결을 조절하는 것이 매우 어렵다.

연구진은 세포 배양 중에도 신경 네트워크의 구조와 기능을 실시간으로 조절할 수 있는 기술을 개발하기 위해 ‘아가로즈 하이드로겔 (agarose hydrogel), 금 나노막대, 미세 전극 칩’ 기반의 신경 칩 플랫폼을 제작했다.

개발된 플랫폼을 통해 세 가지의 다른 조작 방식으로 신경 네트워크의 구조와 기능을 조절할 수 있음을 실험적으로 확인했다.

첫 번째로는 금 나노막대 층에서 발생하는 열을 통해 네트워크 사이에 하이드로겔을 국소적으로 제거했으며, 제거된 영역을 따라 신경돌기(축삭)가 생장해 새로운 신경 연결이 생성됨을 확인했다.

두 번째로는 네트워크를 연결하고 있는 신경돌기에 직접 열을 가함으로써 원하는 신경 연결을 선택적으로 제거할 수 있음을 관찰했다. 이러한 신경 연결의 생성과 제거 기술을 미세 전극 칩 상에서 실행함으로써 연구팀은 네트워크의 구조적 변화에 의한 기능적 연결성을 분석할 수 있었다.

세 번째로는 광열 자극을 이용한 신경 활성 억제 현상을 이용해 개별 네트워크의 활성 변화를 조절하면서 서로 연결된 네트워크 간의 기능적 연결성을 대응시킬 수 있음을 확인했다.

이번 연구의 교신저자인 남윤기 교수는 “이번 연구에서 개발된 신경 세포 칩 플랫폼은 신경회로의 구조와 기능을 세포 발달과정 중에 조절할 수 있다”며 “앞으로 뇌신경과학 연구를 위한 다양하고 복잡한 형태의 체외 신경 모델을 구현하는 데 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.