전기및전자공학부 이현주 교수, 한국뇌연구원 김정연 박사 공동연구팀이 소형 동물에서 초음파 뇌 자극과 뇌파 측정이 동시에 가능한 초소형 시스템을 개발했다고 8일 밝혔다.

수면 상태에 따라 실시간으로 초음파 뇌 자극이 가능한 해당 기술을 이용해, 연구팀은 비 급속 안구 운동(NREM, Non-rapid-eye Movement)수면 시 전전두엽(PFC, Prefrontal cortex)을 실시간으로 자극해 수면 및 단기 기억력 조절이 가능함을 밝혔다. 

기존의 초음파 자극 기술은 부피가 커서 움직이는 생쥐에 사용이 불가능하거나 작동할 때 생기는 잡음 신호로 동시 전기 생리 신호 측정이 어렵다.

이현주 교수팀은 그간 이런 문제를 해결하기 위해 MEMS기반의 초소형 초음파 소자(CMUT, Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer)연구를 지속해서 수행해왔는데,이번 연구에서 뇌파 신호 측정 및 실시간 수면 분석 기술을 접목해, 뇌의 현재 상태에 따라 자극을 주는 맞춤형,폐루프 자극 시스템을 개발했다.

폐루프 자극 알고리즘은 6초 단위로 수면 단계를 실시간으로 분석해 비 급속 안구 운동(NREM, Non-rapid-eye Movement)수면 단계일 때 초음파 자극을 전달한다.

이 시스템은 잡음 신호 없이 자극과 측정이 동시에 가능하다. NREM상태 시 10시간 동안 수면 박탈 쥐의 전전두엽을 자극한 결과,단기 공간 기억력이 보호되고 급속 안구 운동(REM, Rapid-eye Movement)수면량이 증가함을 보였다. 

이현주 교수는 “초음파는 태아 영상화에도 활용될 만큼 안전한 인체 조사 기술 중 하나인데,인체 내부 깊숙이까지 전달되며 펴지지 않고 집중 조사가 가능해 치료를 위한 비수술적 인체 조사 기술로 매우 매력적인 기술이다ˮ라고 말했다. “하지만, 전임상 자극 시스템의 부재로 현재 초음파 자극의 효능 평가 연구가 부족한 상황이며,이번에 개발한 시스템을 많은 뇌과학 연구팀들이 활용해 초음파의 다양한 치료 효과를 밝혀낼 수 있기를 바란다ˮ라고 전했다. 

KAIST전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀의 조예현 박사과정, 그리고 한국뇌연구원 김정연 박사 연구팀이 주도하고 기초과학연구원 김성기 단장,한국과학기술연구원 이병철 박사, KAIST생명과학과 서성배 교수가 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’誌10월 19일 字에게재됐으며 출판사 와일리(Wiley)의 리서치 헤드라인(Research Headline)논문으로 선정됐다.(논문명:General-purpose ultrasound neuromodulation system for chronic, closed-loop preclinical studies in freely behaving rodents)

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 차세대지능형반도체 사업, 선도연구센터 사업, 이공분야기초연구사업과 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 지원으로 수행되었다.