말랑말랑한 초소형 전자 장치를 삽입한 사이보그 올챙이가 탄생했다. 아직 미지의 세계인 척추동물의 뇌 발달 과정을 밀리초 단위로 추적할 것으로 학계는 기대했다.
미국 하버드대학교 신경학 연구팀은 14일 공식 채널을 통해 올챙이 뇌에 부드럽고 얇은 전자 장치를 접목하는 실험이 성공했다고 발표했다. 이번 연구 성과는 이달 11일 국제 학술지 네이처(Nature)에 먼저 소개됐다.
초박형 전자 장치는 올챙이 배아 단계에서 신경판에 들어간 뒤 뇌의 성장에 맞춰 자연스럽게 조직과 융합하도록 설계됐다. 신경활동을 읽기 위한 부드러운 접속부가 올챙이 머리로 살짝 돌출되는 구조지만 발육에는 문제가 없다.
연구팀이 이 장치를 올챙이 뇌에 넣은 이유는 뇌 발달 과정에서 생기는 신경세포의 전기 활동을 밀리초 단위로 기록하기 위해서다. 물고기과 개구리, 인간 등 등뼈를 가진 동물의 배아가 뱃속에서 자라기 시작할 무렵, 신경판이라는 편평한 구조가 접히고 뇌와 척수의 근원이 되는 신경관으로 변한다. 이때 변화는 밀리초 단위로 상당히 복잡하게 이어진다.
연구를 이끈 하버드대 생체공학자 하오셩 교수는 “이 변화를 자세히 관찰할 수 있다면 뇌의 근원적인 수수께끼의 해명으로 이어질 뿐만 아니라, 발달 초기 단계에서 나타나는 질병을 잡아내고 치료나 예방도 가능할 것”이라고 기대했다.
이어 “자폐증이나 양극성장애, 조현병 등은 모두 뇌 발달 초기에 일어날 가능성이 있다”며 “이런 발달 초기의 신경활동을 계측할 수단은 지금까지 딱히 없어 발병을 그대로 지켜봐야 했다”고 덧붙였다.
연구팀은 작은 부하로 뇌의 활동을 기록하는 초소형 전자 장치를 개발한 경험이 있다. 다만 성장한 뇌는 신경세포끼리 나노미터 단위의 극히 정밀한 연결을 형성해 아무리 작고 부드러운 전극이라도 뇌에 꽂으면 손상이 불가피했다.
두부처럼 부드러운 뇌 조직을 망치지 않고 신경활동을 기록하기 위해 연구팀은 뇌가 형태를 갖추기 전에 부드러운 센서를 넣어 같이 성장시킬 발상에 이르렀다. 이렇게 하면 성장하는 조직과 센서가 자연스럽게 융합해 무리가 없다.
연구팀은 먼저 줄기세포에서 배양한 뇌나 심장의 인공장기(오가노이드)에 유연한 전극을 끼워 실험했다. 그 결과, 전극은 성장하는 조직에 맞춰 신축했고 기능을 유지한 채 융합했다.
올챙이 배아는 사람 줄기세포로 만들어진 조직보다 훨씬 부드러웠다. 때문에 연구팀은 전자 소재나 구조 등 모든 것을 재검토했다. 결국 하버드대 지적재산으로 보호받는 신소재 퍼플루오로폴리에테르 디메타크릴레이트(perfluoropolyether dimethacrylate)를 이용했다.
하오셩 교수는 “신소재는 생체조직처럼 부드러우면서 나노 가공에도 견디는 불소화 엘라스토머”라며 “이렇게 탄생한 사이보그 올챙이는 발생 순간부터 임플란트를 지녔음에도 성장에 전혀 영향이 없었고, 밀리초 단위로 신경세포의 전기 활동을 실시간으로 기록하는 데도 성공했다”고 말했다.
정이안 기자 anglee@sputnik.kr
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