행동실험이 가능한 초소형 비침습 초음파 자극 장치. (사진=KAIST 제공)
한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀이 초소형화, 초경량화한 미세 초음파 소자를 통해 자유롭게 움직이는 쥐의 뇌에 초음파 자극을 줄 수 있는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.
연구팀은 1g 미만의 초경량 초음파 소자 개발을 통해 움직이는 쥐의 뇌 초음파 결과를 얻는 데 성공했다. 이는 쥐 무게의 6배에 달하는 초음파 변환기를 사용하며 움직이는 쥐에 적용할 수 없었던 기존 기술의 한계를 극복한 것이다.
연구팀은 쥐의 구조에 맞는 중심 주파수와 크기, 초점 거리, 초음파 세기를 갖는 1g 미만의 소자와 행동실험에 적합한 실험 장치를 제작했다.
초음파 소자의 성능 평가를 위해 쥐 뇌의 운동 피질 (motor cortex)을 자극해 쥐의 앞발이 움직이는 운동 반응을 확인하고 승모근의 근전도도 측정했다.
초음파의 강도를 높일수록 운동 피질을 자극할 때 나오는 쥐의 앞발이 움직이는 현상이 더 자주 발생함을 확인한 연구팀은 결과적으로 초음파가 세지면서 반응의 성공률이 높아지는 결과를 얻어냈다.
연구팀의 초음파 소자는 쥐 뇌의 3~4mm 깊이까지 초음파가 전달되고 쥐 뇌 전체 크기의 25% 영역을 자극할 수 있다.
KAIST 이현주 교수 연구팀. (사진=KAIST 제공)
연구팀은 이번 연구 결과를 토대로 초음파가 수면에 미치는 영향을 연구 중이다.
향후 수면 연구뿐 아니라 다양한 행동실험 연구에 초음파 자극 기술을 적용할 수 있을 것으로 전망된다.
이현주 교수는 "머리를 고정하고 마취했던 그간의 동물실험 방식에서 벗어날 수 있다"며 "앞으로 파킨슨병, 치매, 우울증 등 여러 뇌 질환의 새로운 치료법 연구와 뇌 회로 규명에 광범위하게 적용할 수 있을 것"이라고 말했다
연구는 과학기술정보통신부 뇌과학원천기술개발사업 지원을 받아 수행했다.
김형국 석사가 주도하고 김성연 석사과정과 덴마크 공과대(DTU) 연구팀이 함께한 논문은 '브레인 스티뮬레이션'(Brain Stimulation) 지난해 11월 17일 자 온라인판에 실렸다. 다음 달 출판될 예정이다.