나노-MIND: 세계 최초 자기장으로 뇌 회로 제어해 감정과 행동 조절

자기장을 이용한 최신 뇌 자극 기술이 세계 최초로 개발되었습니다. 이 혁신적인 기술은 특정 뇌 회로를 원격으로 제어하여 감정과 행동을 조절할 수 있습니다. 이번 연구는 BCI 발전과 뇌 질환 치료에 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.

 

연구 배경 설명

최근 들어 뇌과학 연구와 BCI(Brain-Computer Interface) 기술의 발전에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 인간의 뇌는 약 1,000억 개 이상의 뉴런과 이들 뉴런으로 구성된 복잡한 뇌 회로로 이루어져 있습니다. 특정 뇌 회로를 제어하는 것은 인지, 감정, 사회적 행동 등 고차원적 뇌 기능을 이해하고 뇌 질환의 원인을 규명하는 데 필수적입니다.

 

또한, 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술의 발전에도 핵심적인 역할을 합니다. 이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단과 인지 및 사회성 연구단의 공동 연구로, 자기장을 통해 특정 뇌 신경회로를 원격으로 제어하는 나노-MIND(Magnetogenetic Interface for NeuroDynamics) 기술을 세계 최초로 개발하였습니다.

 

나노-MIND 기술 소개

나노-MIND 기술은 자기장을 이용하여 특정 뇌 회로를 정밀하게 제어할 수 있는 혁신적인 기술입니다. 이 기술은 자성을 띠는 나노입자와 자기장을 활용하여 뇌의 특정 회로를 활성화하거나 억제할 수 있습니다. 자기장은 생체 투과율과 안전성이 뛰어나 MRI 등에서 사용되는 것처럼 생체 신호를 읽어내는 중요한 수단으로 활용됩니다.

 

그러나 자기장을 이용해 특정 생체 신호를 조절하거나 뇌 회로를 정밀하게 제어하는 것은 과학계의 난제였습니다. 나노-MIND 기술은 이러한 난제를 극복하고, 비침습적이며 정밀한 뇌 회로 제어를 가능하게 합니다.

 

 

나노-MIND 이미지 보기

 

동물 실험 결과

연구팀은 동물 실험을 통해 나노-MIND 기술의 효과를 검증했습니다. 다음은 주요 실험 결과입니다.

1. 모성애 조절

나노-MIND 기술을 이용해 모성애를 담당하는 뇌 회로를 자극한 결과, 어미 쥐가 아님에도 불구하고 어린 쥐를 자신의 둥지로 데려오는 등 돌봄 행동이 크게 촉진되었습니다. 이는 모성애를 조절하는 뇌 회로가 활성화된 결과입니다.

2. 식욕 조절

음식 섭취를 담당하는 외측 시상하부의 동기부여 뇌 회로를 활성화한 결과, 쥐의 식욕과 섭식 행동이 100% 증가했습니다. 반대로 흥분성 뉴런을 활성화할 경우 식욕과 섭식 행동이 절반 이하로 감소했습니다. 이는 나노-MIND 기술이 식욕을 양방향으로 조절할 수 있음을 보여줍니다.

3. 사회성 조절

사회적 행동을 담당하는 뇌 회로를 자극한 결과, 쥐의 사회적 행동이 3배 이상 증가했습니다. 이는 나노-MIND 기술이 사회성 조절에도 효과적임을 보여줍니다.

기술의 차별점 및 응용 가능성

나노-MIND 기술은 기존의 BCI 기술과 달리 특정 뇌 회로를 선택적으로 제어할 수 있는 장점이 있습니다. 이는 더 정교한 뇌 기능 조절을 가능하게 하며, 다음과 같은 분야에 응용될 수 있습니다.

1. 뇌 질환 치료

나노-MIND 기술은 특정 뇌 회로를 제어하여 파킨슨병, 알츠하이머병 등 다양한 뇌 질환의 치료에 활용될 수 있습니다. 이 기술을 통해 뇌 질환의 원인을 규명하고, 새로운 치료법을 개발할 수 있습니다.

2. BCI 기술 발전

나노-MIND 기술은 BCI(Brain-Computer Interface) 기술의 발전에도 큰 기여를 할 수 있습니다. 이 기술을 통해 뇌와 컴퓨터 간의 양방향 무선 통신을 실현하고, 기기 제어뿐만 아니라 컴퓨터 정보를 습득하여 뇌 능력을 향상시킬 수 있습니다.

3. 인공지능 연구

나노-MIND 기술은 인공지능 연구에도 중요한 역할을 할 수 있습니다. 뇌의 특정 회로를 제어하여 고차원적 뇌 기능을 연구하고, 이를 기반으로 더 나은 인공신경망을 구축할 수 있습니다.

 

연구 추가 설명

5.1. 자기유전학 기술 설명
자기유전학은 자성 나노입자를 이용하여 특정 이온 채널을 활성화하는 기술입니다. 이 기술은 회전 자기장 자극을 통해 자성 나노입자가 토크 힘을 생성하고, 이를 통해 피에조-1 이온 채널을 활성화하여 뇌세포 활성을 유도합니다. 자기유전학 기술은 피에조-1 이온 채널뿐만 아니라 다양한 이온 채널에도 적용될 수 있습니다.

5.2. 뇌 회로 제어 메커니즘
나노-MIND 기술은 자성 나노입자를 이용하여 특정 뇌 회로를 자극합니다. 연구팀은 25nm 크기의 자성 나노입자를 합성하고, 이를 200nm 원형 지지체 표면에 단층으로 결합하였습니다. 이 항체를 통해 세포막에 발현하는 피에조-1 이온 채널 특이적 타겟팅이 가능하게 됩니다. 세포 특이적 나노-자기유전학 기술을 이용하여 뇌의 특정 회로를 선택적으로 제어할 수 있습니다.

 

그림 설명

IBS 나노-MIND 관련 그림 설명

 

연구 논문 설명

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 38.1)'에 2024년 7월 3일(한국시간) 게재되었습니다. 논문의 제목은 "In vivo magnetogenetics for cell-type specific targeting and modulation of brain circuits"로, 저자는 최서현, 신지혜, 박찬현, 이정욱, 이재경, 류리, 암보유코, 신욱진, 김주영, 나정수, 신동훈, 김구름, 노건우, 고우현, 이창준, 이재현, 곽민석, 천진우 등입니다.

 

이번 연구는 자기유전학 기술을 이용해 특정 뇌 회로를 선택적으로 제어하여 동물의 감정, 사회성, 동기부여 등을 조절하는 데 성공하였으며, 이는 다양한 뇌 질환의 원인 규명과 치료법 개발에 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.

 

맺음말

나노-MIND 기술은 뇌과학 연구와 BCI 기술 발전에 새로운 가능성을 열었습니다. 이는 기존의 침습적 BCI 기술과 달리 비침습적이며 정밀한 뇌 회로 제어가 가능하다는 점에서 큰 장점을 가집니다. 향후 연구를 통해 다양한 뇌 질환의 치료법 개발과 인공지능 기술 발전에 크게 기여할 것입니다. 연구팀은 앞으로 나노-MIND 기술을 다양한 뇌 회로에 적용하여 뇌 기능 연구와 뇌 질환 치료법 개발에 박차를 가할 계획입니다.