(상단 왼쪽) 기존의 금속 전극 기술은 불투명해서 하부의 신경 조직을 관찰할 수 없다. (상단 중앙) DARPA의 RE-NET 프로그램은 전기적으로 전도성을 가지지만 단지 4 개의 원자 두께(현재의 접촉보다 수백 배 더 얇음)를 가지지는 새로운 그래핀 센서를 개발했다. 그들의 매우 얇은 두께는 모든 빛들이 통과할 수 있게 한다. 

미국 연구진은 그래핀과 파릴렌(parylene) 적층을 이용해서 뇌의 구조 및 기능을 확인할 수 있는 새로운 분석 방법을 개발했다.

뇌의 해부학적 구조 및 기능을 이해하는 것은 신경 과학 분야의 오랜 목표이다. 뇌 신호전달의 전기적 모니터링과 시뮬레이션은 뇌 기능의 주요 연구 분야이다. 전자 대신에 광을 이용하는 첨단 광학 기술들은 신경망 구조를 시각화하고 뇌 기능을 조사하는데 새로운 기회를 제공한다. 전기적 및 광학적 기술들은 고해상도로 뇌를 조사하는데 큰 장점을 가지고 있다. 그러나 기존의 금속 전극 기술들은 너무나 두꺼워서(>500 nm) 빛을 투과할 수 없는데, 이것은 이 기술이 많은 광학적 분야와 호환될 수 없게 한다.

이러한 문제를 극복하기 위해서, DARPA는 전기적 및 광학적 방법을 동시에 사용해서 신경 조직을 측정하고 자극할 수 있는 훨씬 더 작고 투명한 접촉을 할 수 있는 개념-증명 도구를 만들었다. 위스콘신 매디슨 대학(University of Wisconsin at Madison)의 연구진은 DARPA의 RE-NET(Reliable Neural-Interface Technology) 프로그램의 지원을 받아서 새로운 기술을 개발하는데 성공했다. 이것은 저널 Nature Communications에 상세하게 게재되었다.

“이 기술은 뇌 속의 신경망 활동을 가시화하고 정량화할 수 있는 획기적인 기능성을 가진다”고 DARPA 프로그램 매니저인 Doug Weber가 말했다. “신경 네트워크의 직접적인 가시화와 조절로 빠르고 큰 크기로 전기적 활동을 자발적으로 측정할 수 있는 능력은 뇌 구조와 기능 사이의 관계에 대한 예상치 못한 통찰력을 제공할 수 있다. 즉, 뇌 구조와 기능 사이의 관계를 아는 것은 시간이 지남에 따라서 어떤 일이 발생하는지와 상처 또는 질병에 의해서 어떻게 변하는지를 알 수 있게 한다”고 그는 덧붙였다.

이 새로운 장치는 생체 조직과 유사한 형태를 가지는 플렉서블 플라스틱 지지체(plastic backing) 위에 그래핀을 사용한다. 그래핀 센서는 현재의 접촉보다 수백 배 더 얇지만(1 나노미터 이하), 전기 전도성을 가진다. 매우 얇은 그래핀은 거의 모든 빛을 통과시킬 수 있다. 또한 그래핀은 생물학적 시스템에 비독성이다. 기존의 전기 접촉은 훨씬 더 두껍고 제조하기가 어려우며 독성 금속 합금을 이용하기 때문에, 이것을 대체할 수 있는 그래핀을 매우 유용하다.

이 연구는 3개의 첨단 연구 분야를 제시하고 있다: 그래핀, 초고해상도 형광 현미경, 광유전학(optogenetics). 그래핀은 2010년 노벨물학상을 받은 연구진에 의해서 개발되었고, 초고해상도 형광 현미경은 2014년 노벨화학상을 받은 연구진에 의해서 개발되었고, 광유전학은 특정 광 반응성 단백질을 만들기 위해서 세포를 유전적으로 변형시키는 것을 포함한다.

RE_NET는 신경 계면의 실패 메커니즘을 이해하고 극복하기 위한 새로운 도구 및 기술을 개발하고 있다. DARPA는 신경망 구조 및 기능 간의 관계를 밝히기 위해서 차세대 뇌연구(neurotechnologies)에 흥미를 가지고 있다. RE-NET와 이후의 DARPA 프로그램은 뉴런의 기능, 물리적 동작 및 거동을 자발적으로 측정함으로써 새로운 도구를 활용할 계획을 가지고 있다. 이 기술은 뉴런을 임시적으로 활성화하기 위해서 전기 또는 빛의 펄스를 적용함으로써 뉴런 기능을 조절하는 기능을 제공한다. 따라서 이것은 원래의 기능을 더 잘 관찰할 수 있게 할 뿐만 아니라 회로 동작의 신중한 조절을 통해서, 신경 신호 및 뇌 기능 간의 인과 관계를 조사할 수 있게 한다.

“이번 연구진은 신경 활동과 작용 간의 인과적 연관성을 입증하지 못했다”고 Waber가 말했다. “현재, 우리는 이런 관계를 조사하기 위해서 신경 회로를 직접적으로 관찰하고 측정하고 자극할 수 있는 기회를 가지고 있고, 뇌 회로 기능의 모델을 개발하고 검증하는 역할을 하고 있다. 이런 지식은 우리가 뇌 손상 및 질환을 이해하고 치료할 수 있는 방법을 크게 도울 수 있다”고 Waber가 덧붙였다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』