연구
< (왼쪽부터) 전기및전자공학부 정재웅 교수, 이주현 박사과정 >
우리 대학 전기 및 전자공학부 정재웅 교수 연구팀이 미국 워싱턴 대학교(Washington University in St. Louis) 연구팀과의 공동 연구를 통해 3D 프린팅 기반의 광유전학 뉴럴 프로브 공정 기술을 개발했다고 밝혔다.
광유전학은 빛을 사용해 목표로 하는 특정 신경세포를 선택적으로 정교하게 조절할 수 있는 기술로서 뇌 연구 및 뇌질환 치료분야에서 많은 각광을 받고 있다.
뇌에 광유전학을 적용하기 위해서는 빛을 목표 신경회로에 정확히 전달할 수 있는 장치가 요구된다. 따라서 서로 다른 광유전학 기반 뇌 연구 실험을 진행할 때마다 실험 대상 동물과 목표 신경회로의 위치에 최적화된 디자인을 갖는 뇌 이식용 뉴럴 프로브가 필요하다.
반도체 공정 기반의 광전자 뉴럴 프로브는 실험 목적에 맞게 길이와 형태를 설정하여 제작할 수 있어 광유전학 연구에서 널리 사용되고 있다. 하지만 반도체 공정은 많은 기반 시설과 전문성이 요구되어 신경과학자가 직접 접근하기 힘들다. 또한 공정에 많은 시간과 비용이 필요하여 새로운 디자인의 프로브를 빠르고 저렴하게 개발하기 어렵다.
연구팀은 뉴럴 프로브 공정에 3D 프린팅을 도입하여 이러한 문제를 극복했다. 개발된 공정은 단순하고 소요 시간이 짧으며, 비싼 반도체 공정 장비와 재료가 전혀 사용되지 않아 개당 약 1000원의 가격으로 생산이 가능하다 (참고: 상용 실리콘 프로브: 약 50000원 이상). 본 공정기술을 이용하면 3D 구조 설계 소프트웨어를 활용하여 누구나 손쉽게 뉴럴 프로브의 디자인을 수정하고 제작할 수 있어 다양한 동물의 목표 뇌신경회로에 최적화된 디바이스를 빠르게 구현할 수 있다.
< 그림 1. 3D 프린팅으로 제작한 뇌 이식용 뉴럴 프로브 및 응용 예시 >
3D 프린팅으로 제작된 프로브는 소형 무선 통신 모듈과 결합하여 무선 광유전학을 구현할 수 있도록 개발되었다. 무선 통신 모듈을 제어하는 스마트폰 앱도 개발하여 사용자의 편의성을 도모하였다.
연구팀은 본 기술이 신경과학 커뮤니티에서 누구나 활용할 수 있도록 개발 프로토콜을 제시했다. 프로토콜에는 광유전학 뉴럴 프로브와 무선 통신 모듈의 제작 과정뿐만 아니라 스마트폰 앱 사용법과 프로브 이식 수술 방법이 포함되어 있다. 3D 프린팅 기반의 본 제작기술은 광유전학 프로브 제작의 접근성, 용이성 및 활용성을 크게 높일 수 있어 다양한 뇌과학 및 신경과학 연구에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
< 그림 2. 3D 프린팅으로 제작한 다양한 디자인의 광유전학 프로브 >
전기및전자공학부 이주현 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 프로토콜스 (Nature Protocols)' 1월 字 표지 논문으로 게재됐다. (논문명 : Customizable, wireless and implantable neural probe design and fabrication via 3D printing).
이번 연구는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업, 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 바이오의료기술개발사업, 미국 국립보건원 및 뇌&행동 연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
< 그림 3. 네이처 프로토콜스(Nature Protocols) 지 표지 이미지 >
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인물 학생 창업기업 유니테크쓰리디피, 2022 X-IST 창업경진대회 대상(장관상) 수상
우리 대학은 과학기술정보통신부가 후원하는 X-IST 창업경진대회에서 KAIST 학생 창업 기업인 유니테크쓰리디피가 최종 1위로 대상을 수상했다고 7일 밝혔다. X-IST 창업경진대회는 국내 4대 과학기술원(KAIST, UNIST, DGIST, GIST)의 유망 스타트업이 한자리에 모이는 연례행사로 2022년 10월 27일부터 28일까지 울산 현대호텔에서 개최되었다. 이번 대회는 KAIST를 대표해 3D 프린팅 스타트업 유니테크쓰리디피와 북엔드가 참가했다. 유니테크쓰리디피 팀은 새로운 방식의 금속 3D 프린팅 기술을 선보여 과학기술정보통신부 장관상과 상금 500만 원을 수상했다. 유니테크쓰리디피 팀은 기계공학과 윤용진 교수 연구실의 박사과정 학생인 김상래 CEO와 알베르토 앤드류(Alberto Andreu) CTO로 구성된 학생 창업팀이다. 유니테크쓰리디피는 기존의 금속 3D 프린터가 다양한 산업에서 활용되지 못한 이유에 대해 집중했다고 한다. 고가의 레이저와 광학계를 기
2023-02-07 -
인물 기계공학과 윤용진 교수, (사)대한3D프린팅융합의료학회 제10차 정기학술대회 금상 수상
우리 대학 기계공학과 윤용진 교수 연구팀(이태협 석사과정, Nicha Vnichvoranun 학사과정 등) 및 이진균 원장(페리오치과)의 공동 연구팀은 최근 열린 (사)대한3D프린팅융합의료학회 제10차 정기학술대회의 자유 연제 구연 발표에서 “컬러센서가 포함된 3D 프린팅 치아 스플린트 개발 및 이갈이 심각도의 정량적 진단법 제안”을 주제로 발표하였으며, 금상(1위)을 수상했다. 이번 학회에서는 KAIST, Stanford 의과대학, 싱가포르 국립대학 의과대학, 연세대, 성균관대, 가톨릭대, 고려대, 아주대 의대 및 삼성 의료원, 아산병원, 국립 암센터 등 국내 유수대학 및 의료 기관이 참여하였다. 대한3D프린팅의료융합학회는 의료산업에서의 3D 프린팅 기술을 발전을 목표로 2016년 출범한 이후 매년 학회를 개최하고 있다. 최근 4차 산업혁명의 시대적 흐름과 함께 높은 형상 자유도를 가진 3D 프린팅이 의료 산업에서 주목 받고 있으며, 본 학회는 맞춤
2022-06-02 -
연구 사물인터넷 기반 다수의 뇌 신경회로 동시 원격제어 시스템 개발
우리 연구진이 인터넷을 이용해 뇌 신경회로를 원격 제어할 수 있는 무선 네트워크 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면 시간과 장소에 구애받지 않고 목표 동물의 뇌 신경회로를 정교하게 제어할 수 있다. 우리 대학 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀이 미국 워싱턴 대학교(Washington University in St. Louis), 미국 콜로라도 대학교(University of Colorado Boulder) 연구팀과의 공동 연구를 통해 사물인터넷 기반의 뇌 신경회로 원격제어 시스템을 개발했다고 8일 밝혔다. 이번 개발 기술은 많은 시간과 인력이 있어야 하는 뇌 연구 및 다양한 신경과학 연구를 자동화시켜 다양한 퇴행성 뇌 질환과 정신질환의 발병 기전 규명과 치료법 개발의 가속화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 또한, 먼 거리에 있는 환자의 질환을 원격으로 치료하는 원격 의료 구현에도 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 우리 대학 전기및전자공학부 라자 콰지(Raza Qaz
2021-12-08 -
연구 빛으로 뇌 기능, 행동, 감정을 자유롭게 조절한다
우리 대학 생명과학과 허원도 교수 연구팀은 빛으로 뇌 기능 및 행동을 자유자재로 조절하는 광유전학 기술인 ‘Opto-vTrap(옵토-브이트랩)’을 개발했다. 나아가 동물실험을 통해 뇌 활성 뿐 아니라 활동과 감정까지 조절할 수 있음을 확인했다. 뇌 활성은 신경세포와 신경교세포와 같은 뇌세포들이 서로 신호를 주고받으며 조절된다. 이 같은 상호작용은 뇌 세포 내 ‘소낭’안에 담긴 신경전달물질 분비를 통해 이루어진다. 소낭이 뇌 활성을 조절하는 사령관인 셈이다. 뇌 활성 조절은 뇌 연구를 위한 필수 기술이다. 뇌의 특정 부위나 세포의 활성을 촉진 및 억제해보면 특정 뇌 부위가 담당하는 기능, 여러 뇌 부위 간 상호작용의 역할, 특정 상황에서 다양한 뇌세포의 기능 등 특정 상황에서 뇌 작동이 어떠한 원리로 일어나는지 밝힐 수 있기 때문이다. 그러나 기존 뇌 활성 조절 기술은 원하는 시점에 특정 뇌세포의 활성을 자유롭게 조절하기 어려웠다.
2021-12-03 -
연구 시각 정보가 행동으로 변환되는 신경회로 규명
우리 대학 생명과학과 이승희 교수 연구팀이 시각 정보를 인식해 목표 지향적 행동을 결정하는 대뇌 전두엽의 신경회로 기전을 새롭게 규명했다고 26일 밝혔다. 이 교수 연구팀은 시각 피질과 상호 작용하는 전측 대상회(전대상) 피질(Anterior cingulate cortex, ACC)의 억제성 신경회로가 동물이 시각 정보를 인식하고 이에 맞는 정확한 행동을 개시하는 데 중요한 역할을 함을 밝혔다. 연구 결과는 포유류 전두엽 전대상 피질의 신경회로가 어떻게 시각 인지 행동 및 충동적 행동을 제어할 수 있는지를 새롭게 규명해, 주의력결핍과잉행동장애(ADHD)와 같은 인지장애 및 충동성을 주 증상으로 하는 뇌질환 치료에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 생명과학과 김재현 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 뉴로사이언스 (Nature Neuroscience, IF 20.071)' 8월 19일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Gated feedforwa
2021-08-26