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[사진 1. (왼쪽 위부터 시계방향) 김현우 연구원, 김지원 연구원, 가톨릭관동대 김종열 교수, 인천대 조영욱 교수, 이종은 교수, 유기준 교수]

 

전기전자공학부 유기준 교수(연세-KIST융합연구원), 의과대학 해부학교실 이종은 교수, 인천대학교 바이오-로봇 시스템공학과 조영욱 교수로 구성된 공동 연구팀이 금속을 전혀 사용하지 않은 투명한 뇌신경 인터페이스 시스템을 세계 최초로 개발했다.

 

해당 연구 결과는 국제 융합 연구 분야에서 최고 권위를 자랑하는 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, Impact Factor: 14.7, JCR 상위 5.6%)에 4월 29일자로 게재됐다.

[그림 1. 금속 대체형 투명 전극 기반 뉴럴 인터페이스 시스템의 개요 및 성능 비교]

 

이 장치는 생쥐의 뇌에 직접 이식해 뇌파를 측정하면서 동시에 뇌세포의 활동을 고해상도로 촬영할 수 있는 이광자 이미징 기술이 결합된 뉴럴 인터페이스다. 기존의 금속 전극은 빛을 반사하거나 왜곡시키는 특성으로 인해 광학 장비와 함께 사용하기 어려웠지만, 이번 기술은 이러한 한계를 근본적으로 극복하며 전기 신호 측정과 광 기반 영상 기술을 하나의 장치에서 동시에 구현하는 데 성공했다. 이 성과는 향후 정밀 신경회로 분석과 난치성 뇌질환 연구에 실질적인 기여를 할 수 있는 기술적 전환점으로 평가받는다.
 

[그림 2. 다중 처리를 통한 PEDOT:PSS 전기적 성능 향상 메커니즘]

 

연구팀은 PEDOT:PSS라는 투명 고분자 전도체를 사용해 전극과 배선 모두를 투명하게 구성한 뉴럴 인터페이스를 개발했다. 여기에 FPE 후처리 공정을 적용해 PEDOT:PSS의 구조와 전도성을 동시에 최적화했다. 

 

그 결과, 불과 20μm² 크기의 미세 전극에서 1kHz 기준 45.8kΩ이라는 세계 최저 수준의 임피던스를 구현해, 기존 금속 없는 투명 전극 기술 대비 비약적인 성능 향상을 이뤄냈다.

 

연구팀은 해당 전극 어레이를 생쥐의 대뇌 피질에 이식하여 이광자 이미징 환경에서 실제 신경 활동 신호인 Local Field Potential(LFP) 및 Spike 신호를 광자극 유도 잡음 없이 안정적으로 기록함으로써 기술의 유효성을 실험적으로 입증했다. 특히, 일반적으로 이광자 현미경 촬영 시 발생하는 광자극 유도 잡음이 개발된 장치에서는 관찰되지 않아, 정밀한 동시 측정이 가능함을 확인했다.

[그림 3. 설치류 모델의 체감각 영역에서 수행한 이광자 이미징 및 전기생리학 측정]

 

또한, 면역형광 염색 분석을 통해 미세아교세포(Microglia) 및 성상교세포(Astrocyte)의 반응이 낮은 수준으로 유지됨을 확인해, 장기간 이식 환경에서도 우수한 생체 적합성을 확보했음이 입증됐다.

 

이번 기술은 기존 뉴럴 인터페이스가 지닌 광학적 간섭, 금속 기반 구조의 한계, 생체 조직과의 기계적 불일치 등 복합적인 문제를 동시에 해결한 세계 최초의 금속 없는 투명 뉴럴 인터페이스 플랫폼으로, 신경 회로 연구 및 광 기반 기술과의 융합 적용에 있어 새로운 패러다임을 제시한 사례로 평가된다.

 

특히 이광자 이미징 환경에서도 안정적인 전기생리 신호를 측정할 수 있는 단일 인터페이스 기술로서, 뇌질환의 병태생리학적 규명, 고해상도 만성 기록 등 다양한 응용에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

유기준 교수는 “이번 연구는 투명도, 전도도, 유연성, 생체 적합성이라는 상충되는 요구 조건을 동시에 만족시킨 기술”이라며, “신경계 신호의 정밀 기록과 시각화가 필요한 신경과학, 바이오일렉트로닉스, 광유전학, 이식형 의료기기 등 다양한 분야에서 널리 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 

이번 연구는 김현우·김지원 연구원(공동 제1저자), 김종열 교수(공동 제1저자, 가톨릭관동대), 조영욱 교수(교신저자, 인천대), 이종은 교수(교신저자), 유기준 교수(교신저자)로 구성된 연구팀의 협업으로 수행됐으며, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, 이윤재 Fellowship 등의 지원을 받아 진행됐다.