뇌질환 연구는 신경회로를 구성하는 신경세포의 기능적 연결성과 특성역할을 하는 활성에 대한 정밀한 이해가 필수다.
이를 위해 신경회로 내 여러 신경세포의 전기생리신호뿐만 아니라 특정 세포의 신경활동을 구분해 실시간 동시 측정하는 기술이 필요하다.
특정 신경세포의 신경활동을 구분해 측정하려면 세포활동을 형광으로 관찰하기 위한 유전자변형 기술과 형광신호를 측정하는 현미경 기술이 활용된다.
이와 관련해 현재 행동제약이 적으면서 신경세포의 종류별 신경활성을 측정할 수 있는 초소형 형광 뇌 내시경시스템을 이용한다.
이 시스템은 현미경과 같은 시야로 살아있는 쥐에서 신경활동을 실시간 기록할 수 있지만, 형광신호의 신호반응이 느려 신경회로 활성의 실시간 분석이 제한적이다.
때문에 행동에 따른 신경활동을 실시간 분석하려면 전기적 신경신호 측정이 필수적이다. 그러나 기존 초소형 형광내시경시스템은 구조와 무게가 커서 신경활동을 측정하기 위한 신경전극 집적에 제한이 있었다.
초소형 뇌 내시경 결합한 브레인칩
한국뇌연구원 정서·인지질환 연구그룹 추남선 박사팀이 소동물의 신경에서 실시간 신경활성을 형광신호로 측정하는 초소형 뇌 형광내시경시스템에 전기적 신경신호 측정기능을 결합한 다기능 브레인칩 플랫폼을 개발했다.
연구팀은 신경세포 활동을 다각적으로 높은 시공간적 해상도로 측정하기 위해 초소형 뇌 형광내시경시스템과 뇌 표면에서 전기신호를 측정하는 데 쓰는 투명하고 유연한 ‘ECoG 전극 배열체’를 초소형 모듈로 결합한 ‘ECoGScope 플랫폼’을 개발했다.
‘ECoGScope 플랫폼’은 초소형 및 초경량으로 설계돼 생쥐 등 소형 동물의 뇌신경에 부착해도 행동에 미치는 영향이 매우 낮고, 높은 정밀도로 신경신호를 측정할 수 있다.
실제 연구팀은 이를 생쥐의 뇌 시각피질 및 감각피질에 삽입해 빛과 통증에 따라 나타나는 신경회로의 활성도를 정밀하게 측정했다.
아울러 코카인에 중독된 동물모델에 이 시스템을 적용한 결과 중독 상태에서 신경회로의 변화를 전기·형광신호로 동시 기록하고 통합적으로 분석, 중독 현상을 심도 있게 이해할 수 있었다.
추 박사는 “ECoGScope 플랫폼은 중독, 우울증 등 다양한 정서·인지질환 동물모델의 신경회로 분석연구에 광범위하게 활용할 수 있다”며 “뇌질환 기전 규명, 신경회로기반 진단기법 개발 및 새로운 치료제 개발에 큰 도움이 될 것”이라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 뇌연구원 은종희‧김정섭 박사후연수연구원이 제1저자로, 추 박사와 구자욱 박사가 공동 교신저자로 참했고, 연구결과는 국제학술지 ‘Biosensors and Bioelectronics’ 최신호에 게재됐다.
(논문명 : ECoGScope: An integrated platform for real-time Electrophysiology and fluorescence imaging)
