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미국서 한국의 ‘뇌 장치’ 원격 조절…뇌 연구도 IoT 시대
미국 시카고에서 한국 대전에 있는 초소형 뇌 이식 장치를 인터넷으로 원격 조절한다. 한국 연구진이 세계 어디서든 약물을 전달하고 빛으로 뇌 신경세포를 정밀하게 조절할 수 있는 무선 장치를 개발했다. 거리와 장소의 제약을 넘어 뇌 질환의 장기 연구와 미래 치료기기 개발에 활용될 것으로 기대된다.
우리 대학은 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀이 연세대학교(총장 윤동섭) 의과대학 김화영 교수 연구팀과 공동으로 약물 전달, 빛 자극, 무선 통신, 인터넷 원격 제어 기능을 하나로 통합한 사물인터넷(IoT) 기반 무선 뉴럴 임플란트(뇌 이식 장치)를 개발했다고 27일 밝혔다.
기존에는 실험동물의 뇌 신경을 자극하거나 약물을 주입하기 위해 복잡한 선이 연결된 장비를 사용하는 경우가 많아 동물의 자연스러운 움직임을 관찰하는 데 한계가 있었다. 무선 장치 역시 연구자가 가까운 곳에서 직접 조작해야 하는 등 거리와 실험 환경의 제약이 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 뇌 이식 장치를 인터넷에 연결했다. 연구자가 실험실에 직접 가지 않아도 인터넷을 통해 실시간으로 약물을 투여하거나 빛을 쬐어 특정 뇌 신경세포를 조절할 수 있다. 미리 설정한 시간에 자동으로 작동하도록 프로그램하는 것도 가능하다.
장치는 각설탕 정도의 작은 크기로 제작돼 동물의 자유로운 움직임을 크게 방해하지 않는다. 연구자가 실험동물 가까이에서 반복적으로 장비를 조작할 필요도 없어, 사람의 존재로 인한 스트레스가 동물의 행동과 실험 결과에 영향을 미치는 것을 줄일 수 있다.
장치 내부에는 뇌의 원하는 부위에 약물을 정밀하게 전달하는 미세 유체 시스템과 특정 신경세포를 빛으로 조절하는 마이크로 발광다이오드(Micro LED)가 함께 탑재됐다. 약물과 빛을 각각 따로 조절할 수도 있고, 두 기능을 연계해 사용할 수도 있다.
특히 약물 저장소는 자석으로 쉽게 떼었다 붙일 수 있도록 설계했다. 약물이 떨어져도 장치를 다시 이식하는 수술 없이 저장소를 교체하거나 약물을 보충할 수 있어 장기간 반복 실험이 가능하다.
연구팀은 실제 쥐에 장치를 이식해 4주 동안 성능을 검증했다. 특히 미국 시카고에 있는 연구자가 인터넷을 통해 한국 대전에 있는 뇌 장치를 실시간으로 원격 조작하는 데 성공, 국가 간 거리에서도 안정적으로 작동할 수 있음을 입증했다.
또한 연구팀은 무선으로 쥐의 뇌에 코카인을 투여하고 동시에 특정 신경세포에 빛 자극을 가하는 실험을 진행했다. 그 결과 중독과 관련된 행동 반응을 억제할 수 있음을 확인해 약물 전달과 빛 자극을 결합한 뇌 회로 연구의 가능성을 보여줬다.
이번 기술은 연구자가 실험동물 옆에서 직접 장비를 조작해야 했던 기존 방식에서 벗어나, 동물이 자유롭게 행동하는 환경에서 장기간 뇌 회로와 행동의 관계를 연구할 수 있다는 점에서 의미가 있다. 중독이나 우울증, 퇴행성 뇌 질환처럼 오랜 기간에 걸쳐 뇌와 행동이 변화하는 질환을 연구하는 데 활용될 것으로 기대된다.
향후에는 뇌의 상태를 감지하는 센서와 인공지능(AI) 기술 등을 결합해, 필요한 시점에 약물이나 신경 자극을 제공하는 지능형 이식형 의료기기 연구로 확장될 가능성도 있다.
KAIST 정재웅 교수는 “이번 기술은 빛과 약물을 이용한 무선 뇌 이식 장치를 단순한 근거리 조작 도구에서 장기간·반복적·원격 실험이 가능한 사물인터넷(IoT) 뇌공학 플랫폼으로 확장했다는 데 의미가 있다”며 “장기적으로는 뇌 질환의 진단과 치료를 위한 지능형 이식형 의료기기 개발에 응용될 것으로 기대한다”고 말했다.
연세대 김화영 교수는 “동물이 자유롭게 행동하는 환경에서 특정 뇌 회로를 장기간 정밀하게 조절할 수 있게 됐다”며 “향후 중독, 우울증, 퇴행성 뇌 질환 등 다양한 질환 모델에서 뇌 회로와 행동 사이의 인과관계를 규명하는 데 중요한 연구 도구로 활용될 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 전기및전자공학부 정은영 박사과정과 연세대 의대 박종우 박사과정 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 7월 29일 자에 게재됐다.
※ 논문명: IoT-enabled wireless neural implant for chronic, programmable neuropharmacology and optogenetics, DOI: 10.1126/sciadv.aee8648
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업과 기초연구실지원사업, 산업통상자원부 산업기술 알키미스트 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다.
2026.08.27 조회수 1605 -
세상에 없던 최소형 완전 무선 뇌 임플란트 구현하다
인간의 뇌에는 약 1,000억 개의 뇌세포가 존재하며, 이들이 주고받는 화학·전기 신호는 대부분의 정신 기능을 만들어 낸다. 이러한 신호를 정밀하게 읽어내기 위한 뉴럴 임플란트 기술은 신경퇴행성 질환 연구와 치료에 필수적이다. 우리 대학과 국제 연구진이 뉴럴 임플란트는 단순한 소형화·경량화를 넘어, 기존에 가능하리라 예상만 되었던 완전 무선 초소형 임플란트를 실제로 구현하는데 성공했다.
우리 대학은 신소재공학과 겸직교수이자 난양공대(NTU) 전자과 소속인 이선우 교수 연구팀이 미국 코넬대 알로이샤 모나(Alyosha Molnar) 교수팀과 공동으로, 소금 결정보다도 작은 100 마이크로미터(µm) 이하 초소형 무선 뉴럴 임플란트 ‘MOTE(Micro-Scale Opto-Electronic Tetherless Electrode)’를 개발했다고 27일 밝혔다. 연구팀은 이 임플란트를 실험용 생쥐의 뇌에 이식해 1년간 안정적으로 뇌파를 측정하는 데 성공했다.
뇌 속에서는 눈에 보이지 않는 미세한 전기 신호들이 끊임없이 오가며 우리의 기억, 판단, 감정 등 다양한 정신 활동을 만들어낸다. 이러한 신호를 인체 외부에서 연결선 없이 직접 측정하는 기술은 뇌 연구와 치매나 파킨슨병과 같은 신경질환 치료의 핵심으로 주목받아 왔다.
그러나 기존 임플란트는 두꺼운 유선 구조로 인해 뇌 속에서 움직이며 염증을 유발하고 시간이 지나면 신호 품질이 저하되며 크기와 발열 문제로 장기 사용에 제약이라는 한계를 갖고 있었다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 기존 반도체 공정(CMOS)을 기반으로 초소형 회로를 제작하고, 자체 개발한 초미세 마이크로 LED(µLED)를 결합해 장치를 극도로 소형화했다. 또한 생체 환경에서도 오래 버틸 수 있도록 특수 표면 코팅을 적용해 내구성을 크게 향상시켰다.
그 결과 개발된 MOTE는 두께 100 µm 이하, 부피 1 나노리터 이하로 머리카락보다 얇고 소금 알갱이보다 작은 크기로, 현재까지 보고된 무선 뉴럴 임플란트 중 세계적으로 가장 작은 수준이다.
MOTE의 또 다른 특징은 배터리가 필요 없는 완전 무선 시스템이라는 점이다. 이 장치는 외부에서 들어오는 빛을 받아 전력을 생성하고 뇌파를 감지한 뒤 그 정보를 펄스 위치 변조(PPM) 방식으로 빛 신호에 실어 다시 외부로 전송하는 구조다.
이 방식은 에너지 소비를 획기적으로 줄이고 발열 위험을 최소화하며 배터리 교체가 필요 없어 장기간 사용이 가능하게 만든다.
연구팀은 초소형 MOTE를 생쥐 뇌에 이식해 1년간 장기 실험을 수행했다. 그 결과, 장기간 정상적으로 뇌파를 측정했고 임플란트 주변에서 염증 반응이 거의 발생하지 않았으며 장치 성능 저하도 관찰되지 않았다.
이는 초소형 무선 임플란트가 생체 내부에서 장기적으로 정상 기능을 유지할 수 있음을 최초로 명확히 보여준 사례로 평가된다.
이선우 교수는 “이번에 개발된 뉴럴 임플란트는 단순한 소형화·경량화를 넘어, 기존에 가능하리라 예상만 되었던 완전 무선 초소형 임플란트를 실제로 구현한 데 가장 큰 의의가 있다”며, “이를 통해 무선 뉴럴 임플란트 개발과 사용의 과정에서 제기돼 온 알려진 문제(known unknowns) 뿐 아니라, 실제 개발 과정에서 새롭게 드러나는 미지의 문제(unknown unknowns)까지 해결할 수 있는 기술적 가능성을 입증했다”고 말했다.
이어 “이 기술은 앞으로 뇌과학 연구뿐 아니라 신경계 질환 모니터링, 장기 기록 기반의 치료 기술 개발까지 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 세계적 학술지 네이처 일렉트로닉스 (Nature Electronics) 11월 3일 자 온라인판에 게재됐다.
※ 논문명: A subnanolitre tetherless optoelectronic microsystem for chronic neural recording in awake mice, DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-025-01484-1
이번 연구는 미국 국립 보건원 National Institutes of Health (NIH), 싱가폴 난양 공대, 싱가폴 National Research Foundation, 싱가폴 교육부 그리고 the ASPIRE League Partnership Seed Fund 2024 의 지원으로 수행되었고, 특수 공정들은 미국의 National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI)의 일원인 Cornell NanoScale Facility와 난양공대의 Nanyang NanoFabrication Centre에서 이루어졌다.
2025.11.27 조회수 6070