모성애와 식욕 제어 성공, 세계 최초 ‘뇌 신경회로 원격 제어기술’

기초과학연구원(Institute for Basic Science, IBS) 나노의학 연구단 소속 연구팀이 자기장을 활용해 뇌 신경회로를 정밀 제어하는 기술을 세계 최초로 개발했다.

나노의학 연구단 천진우 단장과 곽민석, 이재현 연구위원이 소속된 연구팀은 IBS 인지 및 사회성 연구단과의 협업으로 나노-MIND 기술을 개발했다. MIND는 Magnetogenetic Interface for NeuroDynamics의 줄임말로, 자기장으로 신경회로를 제어한다는 의미를 담고 있다.

복잡한 뇌 구조, 의도적으로 제어할 수 있다면?

인간의 뇌는 그 무엇보다도 복잡하다. 인공지능 기술로 인간의 뇌를 모사하려는 노력이 여전히 시행착오를 겪고 있는 이유다. 뉴런이라 불리는 신경세포가 약 1천억 개 이상 존재하며, 이것들이 모여 다양한 회로를 만들고 저마다의 기능을 수행한다. 그 자그마한 뇌 안에 세부적인 영역마다 다른 기능을 담당하고 있는 것이다.

만약 특정한 목적에 맞춰 뇌의 일부를 의도적으로 제어할 수 있다면 어떨까? 가깝게는 식욕과 같은 인간의 기본적인 욕구를 조절할 수도 있을 것이고, 감정도 억제할 수 있을 것이다. 의료적 관점에서 본다면 뇌에 발생하는 질환을 진단하고 원인을 찾아내는 데도 도움이 될 수 있을 것이다.

자기장을 사용한 뇌 기능 제어

이번에 개발된 나노-MIND는 자기장을 기반으로 하는 기술이다. 자기장은 기존 의료현장에서도 사용되고 있을 만큼 안전성이 입증된 수단이다. 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI)이 그 대표적인 예다. 자기장은 안전하면서도 생체 투과율이 높아, 생체가 보내는 신호를 읽어내는데 적합한 방법이다.

하지만 자기장을 신호 수·발신 목적으로 사용하는 것과 직접 생체 신호를 조절하거나 제어할 목적으로 사용하는 것은 전혀 다른 문제다. 기존 MRI는 자기장을 투과시킴으로써 신체 내부를 영상화하는 기술이지만, 그를 이용해 생체에 직접적인 물리력을 행사할 수는 없기 때문이다.

이를 해결하기 위해 나노-MIND 기술은 자기장과 자성을 띠는 나노입자를 함께 사용했다. 이것을 매개로 특정 뇌 회로를 선택적으로 활성화하고자 했고, 동물실험을 통해 그것이 가능함을 확인했다. 원하는 뇌 회로에 나노-자기수용체를 생성한 다음, 필요한 시점에 그 수용체에 자극을 줌으로써 해당 뇌 회로를 제어하는 원리다.

구체적으로 무엇을 제어할 수 있나?

연구팀은 먼저 어미 쥐의 전시각중추의 억제성 가바(GABA) 뇌 회로를 선택적으로 활성화 시켜보았다. 이는 모성애를 담당하는 부분으로, 활성화와 함께 자신의 새끼가 아닌 어린 쥐를 데려와 돌보는 모습을 확인했다.

다음으로 음식 섭취를 관장하는 외측 시상하부의 회로를 활성화시켜보았다. 동기부여를 관장하는 회로의 억제성 뉴런을 활성화한 쥐는 음식을 섭취하는 행동이 2배 가량 증가했다. 반대로 동기부여 회로의 흥분성 뉴런을 활성화하자 음식 섭취가 절반 이하로 줄었다.

이는 모성애라는 ‘감정’의 영역과 식욕이라는 ‘본능’의 영역을 모두 인위적으로 통제할 수 있음을 보여준 사례다. 같은 원리로 다른 뇌 회로를 활성화한다면 얼마든지 목적과 의도에 따른 조절이 가능하다는 의미다.

어떻게 활용할 수 있을까?

천진우 단장의 말에 따르면 나노-MIND 기술을 활용하면 뇌에 존재하는 수많은 회로들의 기능이 무엇인지, 어떤 원리로 작동하는지를 규명할 수 있다. 

이는 의료적으로 볼 때 뇌가 관장하는 특정 기능에 이상이 생긴다면 해당 기능을 담당하는 회로를 조절해 회복시킬 수 있다는 가능성을 시사한다. 이밖에 신경계통에 발생하는 질환을 치료하기 위한 새로운 접근법으로 활용될 수도 있다.

기술적인 측면에서는 인공지능 기술을 토대로 한 신경망을 보다 정교하게 만드는 데도 보탬이 될 것이다. 뇌 신호를 해석해 외부 기계를 제어하는 양방향 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI) 기술의 완성도를 높이는 데도 기여할 것이다.

이번 나노-MIND 개발 및 그를 활용한 연구 결과는 IF 38.1의 권위있는 국제 학술지 「네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)」에 지난 3일(수) 게재됐다.