뇌-컴퓨터 인터페이스, 33주간 뇌파 측정 장기간 송수신 성공

두개골에 전자회로를 그려 뇌-컴퓨터 연결의 새 지평을 연다! 뇌 조직 손상 없이 33주간 뇌파 측정에 성공한 획기적인 기술 소개.

부드러운 인공 전극, 뇌 조직 손상 없이 장기간 뇌파 측정 가능

기존 뇌-컴퓨터 인터페이스는 딱딱한 금속 전극을 사용해 뇌 조직에 손상을 입히고, 염증과 감염을 유발하며 장기간 사용에 어려움이 있었습니다. 하지만 IBS 나노의학 연구단과 세브란스병원 연구팀은 뇌 조직처럼 부드러운 액체금속 기반의 인공 전극을 개발하여 뇌 조직 손상을 최소화하고 33주간 뇌파 측정에 성공했습니다.

 

▲ 연구진이 개발한 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 형성 기술

• [왼쪽] 뇌에 삽입되는 액체금속 기반의 부드러운 신경전극과, 두개골 표면을 따라 얇게 형성되는 전자회로를 설명하는 그림. [오른쪽] 두개골 곡면을 따라 형성된 생체통합적 통신 전자회로의 사진.

3D 프린팅 기술 접목, 맞춤형 뇌-컴퓨터 인터페이스 구현

연구팀은 3D 프린팅 기술을 사용하여 사용자의 뇌 구조에 맞춘 맞춤형 전자회로를 두개골 표면에 직접 프린팅했습니다. 이는 기존 유선 연결 방식과 달리 무선 송수신 기능을 구현하여 사용자에게 불편함을 최소화했습니다. 또한, 여러 개의 신경 전극을 이식하여 뇌의 다양한 영역에서 동시에 신호를 측정할 수 있게 했습니다.

 

▲ 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 통한 신경신호 검출

• 생체통합적 뉴럴 인터페이스를 통해 측정한 신경신호. 뇌 내부 서로 다른 12곳의 신경신호를 동시에 측정했다. 사용자에게 부드러운 신경전극과 이질감 없는 전자회로를 이용하여, 뇌 조직과 신경세포의 손상 없이 33주간(약 8개월) 뇌 속 신경신호를 측정했다.

▲ 액체금속 인공 신경전극의 조직 반응

• [왼쪽] 액체금속 인공 신경전극을 뇌 속 해마체에 삽입한 사진. 노란색으로 표시된 부분이 액체금속 인공 신경전극이다. [오른쪽] 신경세포(neuron)과 염증 세포(astrocyte, microglia)의 밀도를 분석한 그래프. 신경전극 주변으로 신경세포의 손상이나 밀도 감소가 없고 염증 반응이 최소화됨을 알 수 있다.

뇌질환 치료 및 인간 능력 증진, 뇌-컴퓨터 인터페이스의 미래 전망

연구진은 개발된 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술이 파킨슨병, 알츠하이머, 뇌전증 등 다양한 뇌질환 환자의 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대합니다. 또한, 장애인의 기능 회복, 인간 능력 증진 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 가능성을 제시했습니다.

 

연구진은 쥐 모델을 활용한 동물실험에서 체내 신경신호를 8개월이 넘는 기간 동안 안정적으로 검출하는 데 성공했습니다. 딱딱한 고체 형태인 기존의 인터페이스로는 신경신호를 1개월 이상 측정하기 어려웠습니다.

연구를 이끈 박장웅 교수는 “뇌 조직 손상을 최소화하면서도 33주 이상 신경신호를 측정할 수 있는 새로운 뇌-컴퓨터 인터페이스를 개발했다”면서, "이는 파킨슨병, 알츠하이머, 뇌전증 등 다양한 뇌질환 환자 및 일반 사용자에게 광범위하게 활용 가능할 것"이라고 전망했습니다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 16.6)’에 2월 27일(현지시간) 게재됐습니다.

연구 추가 설명

논문/저널/저자

 

In-vivo integration of soft neural probes through high-resolution printing of liquid electronics on the cranium / Nature Communications (2024)
Young-Geun Park, Yong Won Kwon, Chin Su Koh, Enji Kim, Dong Ha Lee, Sumin Kim, Jongmin Mun, Yeon-Mi Hong, Sanghoon Lee, Ju-Young Kim, Jae-Hyun Lee, Hyun Ho Jung, Jinwoo Cheon, Jin Woo Chang, Jang-Ung Park.

 

연구내용 보충설명

 

두피 봉합이 가능하도록 두개골 표면에 직접 전자회로를 3D 프린팅해, 이식 후에도 사용자의 머리에 튀어나오는 부분 없이 원래의 모습을 그대로 유지할 수 있습니다.

해당 회로는 무선 송수신 기능을 구현해 기존 유선 전자회로와 달리 사용자가 일상생활을 하는 데 불편함을 최소화했습니다.

연구진이 개발한 젤리 형태의 인공 전극은 뇌 손상을 최소화해 여러 개의 신경전극을 이식할 수 있어, 뇌 속 다양한 영역에서의 신호를 동시에 측정 가능케 합니다.

또한, 개발된 3D 프린팅 기술로 각 전극의 배열과 위치에 맞는 전자회로를 쉽게 디자인하고 형성할 수 있습니다.
이를 통해, 파킨슨병, 알츠하이머, 뇌전증 등 다양한 뇌질환 환자의 맞춤형 뇌-컴퓨터 인터페이스를 제작할 수 있습니다.
연구 이야기

[연구 과정]
개발된 액체금속의 유연한 기계적 특성과 이를 아주 얇게 프린팅하는 기술은 생체에 사용되는 전자기기와 전자회로에 적용하기 매우 적합했습니다.
이런 아이디어를 기반으로 소재의 생체 적합성을 검증하고, 뇌-컴퓨터 인터페이스로 사용할 수 있는 형태 및 성능으로 신경전극과 전자회로를 개발하며, 기존 뇌-컴퓨터 인터페이스가 가진 한계점을 해소할 수 있는 기술을 연구했습니다.

[어려웠던 점]
재료공학 전문가로서 소재를 생체에 적용하고, 생체에서 일어나는 반응 및 신호를 분석하기 위해 새로운 분야의 지식을 습득하고 범위를 넓혀가야 했던 도전적인 프로젝트였습니다.
IBS 나노의학 연구단 및 연세대학교/고려대학교 의과대학에 소속된 다양한 분야의 교수님 및 연구원과의 긴밀한 협업을 통해 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술이 가진 많은 한계점을 해결할 수 있었습니다.

[성과 차별점]
딱딱한 기존 신경전극은 뇌 조직에 손상을 입혀 신경신호의 장기적인 전달에 어려움이 있었습니다.
또한, 신경신호를 전달하는 전자회로가 외부 전자기기에 유선으로 연결되고 회로의 크기가 매우 커 사용자에게 이질감과 불편함을 유발했습니다.

따라서 기존의 뇌-컴퓨터 인터페이스는 일상생활에서 지속적인 사용에 한계가 있었습니다.

본 연구에서는 사용자 두피 아래에 최적화된 크기의 전자회로를 형성하고, 이 전자회로가 인공 신경전극에서 측정한 신경신호를 무선으로 전송할 수 있게 했습니다.

이를 통해 사용자가 이식 여부를 인지하지 못 할 정도로 이물감과 불편함을 최소화했으며 장기적으로 사용 가능한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 구현했습니다.

[향후 연구계획]
통신 전자회로의 성능 향상, 추가적인 소형화, 신경전극의 장기적 안정성, 생체 내 사용 가능한 배터리의 적용 등 향후 뇌-컴퓨터 인터페이스가 상용화되는 데 필요한 다양한 기반 기술들을 개발할 계획입니다.

 

 

 

출처: 기초과학연구원

뇌과학이 제시하는 AI 혁명, NMDA 수용체가 열어가는 미래