KAIST 전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀이 초소형·초경량화한 미세 초음파 소자(CMUT)를 이용해 쥐의 뇌에 초음파 자극을 줄 수 있는 기술을 개발했다.

1g 미만의 초경량 초음파 소자 개발을 통해 움직이는 쥐의 뇌 초음파 결과를 얻는 데 성공한 것으로 기존 기술의 한계를 극복한 셈이다. 연구 성과는 국제 학술지 ‘브레인 스티뮬레이션’에 지난해 11월 17일 자 온라인판에 게재됐고 내달 자 12권 2호에 출판될 예정이다.

뇌를 자극하는 기존 방법엔 뇌의 특정 영역을 미세 자극할 수 있는 심부뇌자극술(DBS)과 광유전학 기반의 광 자극이 있다. 그러나 침습도가 높아 임상에 적용이 어렵다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위한 비침습적인 경두개전기자극술(TES)과 경두개자기자극술(TMS) 등이 있지만 자극 부위가 넓고 심부 자극이 불가능해 적용 범위가 제한적이다.

또 다른 방법은 인체에도 안전하게 적용할 수 있는 초음파를 이용한 것으로 초음파 집속을 통해 국소부위 자극과 심부 자극이 모두 가능하다는 이점으로 임상 시험에 활용된다. 또 타 기술 대비 이점이 많다. 그러나 초음파 뇌 자극 기술은 개발 초기 단계여서 지금까진 쥐를 고정한 상태에서의 연구 결과만 발표됐다.

이 같은 한계를 극복하고자 연구팀은 미소 전자 기계 시스템(MEMS) 기술을 통한 정전용량 CMUT의 초소형·초경량화를 연구했다. 쥐의 구조에 맞는 중심 주파수, 크기, 초점 거리, 초음파 세기를 갖는 1g 미만의 소자와 행동실험에 적합한 실험 장치를 제작했다.

연구팀은 초음파 소자의 성능 평가를 위해 쥐 뇌의 운동 피질을 자극, 쥐의 앞발이 움직이는 운동 반응을 확인하고 승모근의 근전도를 측정했다. 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 3~4㎜ 깊이까지 초음파가 전달되고 쥐 뇌 전체 크기의 25% 영역을 자극할 수 있다. 연구팀은 향후 자극 범위를 국소화해 소형 동물 뇌의 단일 영역도 특이적으로 자극할 수 있는 차세대 뉴로툴 기술을 개발할 계획이다.

연구팀은 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 “향후 수면장애, 파킨슨병, 치매, 우울증 등 여러 뇌 질환의 새로운 치료법 연구와 특이적 뇌 회로 규명에 광범위하게 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com