박근태 기자 이메일
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입력 : 2013.04.12 03:10
▲ 성균관대 김태일 교수팀과 미국 워싱턴대와 일리노이대 연구진이 파란빛을 내는 LED소자를 이용해 감정과 행동을 조절하는 연구에 성공했다. 미국 일리노이대 제공 머리카락보다 작은 세포만한 크기의 발광다이오드(LED)를 뇌에 삽입해 감정과 행동을 조절하는 방법을 한국 과학자가 포함된 국제 공동 연구진이 알아냈다. 이 연구가 실용화되면 알츠하이머병과 간질 같은 뇌 신경 질환 치료에 획기적인 진전을 가져올 것으로 보인다.
성균관대 화학공학과 김태일 교수와 미국 일리노이대 존 로저스 교수, 워싱턴대 마이클 브루커스 교수는 파란빛을 내는 마이크로 LED소자를 뇌에 쪼여 원하는 시간과 부위에 쾌락과 행복감을 조절하는 호르몬인 도파민을 나오게 하는데 성공했다고 11일 밝혔다.
이번 연구는 학술적 성과와 대중적 관심사 등을 반영해 국제학술지 사이언스 이달 12일자(현지시각)에 소개됐다.
최근 사람의 뇌를 전자회로와 연결해 행동과 심리를 조절하는 연구는 과학계에서 가장 뜨거운 분야 중 하나다. 뇌를 연구하는 과학자들은 동물의 뇌와 전자소자를 연결하는 ‘뇌 기계 인터페이스(BMI)’라는 기술을 이용해 컴퓨터에 미리 입력된 프로그램에 따라 행동하도록 만드는 수준까지 왔다.
사람의 뇌에는 행동과 심리를 조절하는 1000억개 뉴런(신경세포)가 있고 이들 뉴런 사이 연결은 100조개 이상으로 추정된다. 원하는 위치의 뇌 신경세포에 자극을 주면 해당 뇌 부위가 담당하는 움직임과 감정을 조절할 수 있다.
공동 연구팀은 이번 연구에서 TV나 조명 등 주요 광원으로 사용되는 질화갈륨으로 만든 LED를 머리카락보다 가늘게 만든 뒤 특정 뇌 부위 신경세포에 빛을 쪼여 자극하는 방법을 활용했다.
김 교수는 쥐 뇌에 삽입할 수 있도록 20㎛굵기로 LED를 만들었다. 이 LED는 지금까지 개발된 휘는 LED 가운데 가장 작은 크기다. 여기서는 파장이 450㎛인 파란빛이 나온다.
▲ 뇌에 LED소자를 삽입한 실험용 쥐 모습. 미국 워싱턴대 제공 워싱턴대 연구진은 쥐의 뇌에서 쾌락과 자극을 조절하는 호르몬인 도파민을 내는 부위가 빛에 잘 반응하도록 유전자를 조작한 뒤 LED와 온도센서, 전기자극 센서를 함께 넣어 빛에 반응하는 뇌 상태를 살폈다. 그리고 호르몬을 내는 뇌 부위를 자극해 원하는 시점에 도파민이 나오게 할 수 있다는 사실을 확인했다.
연구진은 LED로 쥐의 행동을 제어하는데도 성공했다. 연구진은 뇌에 무선장치가 달린 LED를 넣은 뒤 세 갈래로 나눠진 상자에 넣었다. 그리고 한구석에 머무를 때 LED를 반복적으로 작동시켜 뇌에서 도파민이 분비되게 만들었다.훈련을 받은 이 쥐는 LED를 작동시킨 곳에 계속해서 머무르려는 습성을 갖게 됐다.
이번 연구에서 제1저자로 참가한 김 교수는 뇌에 넣을 수 있을 만한 소형 LED를 만들었다. 김 교수는 미국 일리노이대에 있을 당시 이 연구를 시작했다.
교신저자로 참여한 미국 워싱턴대 브루커스 교수 연구진은 이를 활용해 쥐 실험을 진행했다. 브루커스 교수는 “이번 연구가 불안과 분노와 관련된 뇌 질병을 이해하는데 진전을 가져올 것으로 보인다”며 “복합적인 스트레스와 사회 행동 장애와 관련된 뇌 신경 지도를 만든데 활용될 전망”이라고 말했다.
이번에 사용된 광소자는 접는 디스플레이로도 활용이 가능해 유럽에서 나오는 학술지 ‘스몰’ 6월호에 커버 논문으로 게재됐다. 그만큼 응용 가능성이 크다는 얘기다.
김 교수는 “연구가 어려웠던 뇌와 신경의 난치병인 간질과 파킨슨병 치료에 전자소자가 효과적으로 사용될 수 있음을 보여줬다”며 “치료 로봇 등 첨단 분야에 활용될 수 있다”고 말했다.
