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뇌척수액(CSF)을 통해 뇌와 신경과 상호작용할 수 있는 ‘두개골 내 인터페이스(ECI)’가 개발됐다. 두개골에 물리적 손상을 가하지 않고 신경계 질환을 진단하거나 관리할 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 연구 결과는 국제 학술지 「Nature Biomedical Engineering」에 게재됐다.

척추를 통해 뇌까지 접근하는 방법

미국 라이스 대학의 전기·컴퓨터·생체공학 교수인 제이콥 로빈슨과 텍사스 의과대학의 신경외과 교수 피터 칸이 이끄는 연구팀은 두개골 내에서 뇌를 보호하고 영양 공급 및 노폐물 제거를 담당하는 뇌척수액을 통해 뇌에 접근하는 방법을 시도했다. 그들은 이를 두개골 내 인터페이스(Endo Cisternal Interface, ECI)라 명명했다. 

두개골에 구멍을 뚫는 대신, 허리 부위의 척추 사이에 가느다란 바늘을 사용해 유연성이 높은 카테터를 삽입한다. 이 카테터는 전자기력을 통해 작동하며, 전극이 들어있어 신경 신호 기록 또는 신경 자극 기능을 수행할 수 있다. 카테터는 척추 공간에서 뇌실까지 자유롭게 이동할 수 있으며, 이를 통해 뇌 신경계에서 발생하는 신호를 기록하거나 자극을 가하는 등의 상호작용을 할 수 있다. 피터 칸 교수는 “이것은 간단하면서도 최소 침습적인 방식으로 뇌와 척수에 동시 접근할 수 있도록 하는 최초의 기술일 것”이라고 이야기했다. 그는 “뇌졸중 환자의 재활부터 간질 모니터링까지 다양한 신경학적 분야에서 새로운 치료법의 가능성을 제시한다”라고 말했다.

양 모델 통해 가능성 확인

연구팀은 이 기술의 실용성을 검증하기 위해 양을 모델로 삼아 실험을 수행했다. 먼저 뇌와 척수 주변에 있는 ‘내흉골’의 공간의 구조적 특징과 크기를 분석했다. 그런 다음 자기공명영상(MRI)을 활용해 뇌척수액이 존재하는 공간의 크기를 측정했다. 그런 다음 양을 대상으로 카테터를 삽입하고 실험을 진행하면서 인간으로부터 측정한 결과값과 대조하며 ECI의 실현 가능성을 검증했다.

연구 결과, 카테터 전극은 성공적으로 뇌까지 전달됐다. 뇌실 공간과 뇌 표면으로 유도돼, 외부에서 보내는 전기 자극을 받을 수 있다는 것도 확인했다. 또한, 전자기 기반의 임플란트를 사용해, 근육 활성화와 같은 전기 생리학적 신호를 기록할 수도 있었다. 뇌로 전달된 카테터는 30일 정도 기능을 유지하는 것을 확인했다. 

연구팀에 따르면, ECI는 별도의 약물이 없이도 신경계 내에 있는 목표 지점에 접근할 수 있다. 기존의 혈관 내 신경 인터페이스의 경우, 항혈전제가 필요하며 혈관 크기 및 위치에 따라 접근이 제한되는 경우도 있었다. 이런 점에서도 더욱 월등한 가능성을 보여준 셈이다.

신경계 관련 질환, 치료 접근성 향상 기대

인간 신경계에서의 성능 문제, 안정성이 유지되는 기간 문제, 독성과 관련된 안전 문제 등 넘어야 할 산이 많다. 보다 면밀한 검증이 필요하겠지만, 그를 모두 넘어선다면 ECI 기술은 광범위한 가능성을 갖게 된다. 

특히 뇌의 특정 부위를 자극해 신경 회복을 촉진할 수 있게 된다면, 뇌졸중을 겪은 환자의 재활에 획기적으로 기여할 수 있게 될 것이다. 특히 카테터를 통한 전기적 자극은 뇌 가소성을 통한 뉴런과 시냅스 재형성을 증진시킬 수 있을 것이다.

또한, 뇌전증이나 간질과 같은 발작성 질환에도 활용할 수 있다. 투여된 카테터를 기반으로 상시 모니터링이 가능할 것이며, 필요한 위치에 자극을 줄 수 있으므로 발작을 예방하거나 발작 빈도를 줄이는 등의 접근이 가능할 수 있다. 같은 원리로 퇴행성 질환을 비롯한 다양한 신경계 질환에도 적용할 수 있는 지점이 있을 것이다.

이 기술은 향후 더욱 정밀하고 효과가 뛰어난 ‘신경 자극 장치’로 발전할 수 있는 가능성을 내포하고 있다. 의료 현장에서 널리 활용되고 있는 인공지능 기술과 결합한다면, 보다 정밀한 뇌파 분석과 개인의 증상에 따른 맞춤형 자극을 제공할 수도 있을 것이다. 기존에 개발된 신경 분야 인터페이스와의 융합을 통해 더 높은 효율성을 갖춘 시스템을 이루는 것도 가능할 것이다.

카이스트 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀이 기존 기술보다 100배 가량 정밀한 공간 해상도를 갖는 ‘빛 측정 센서’를 개발했다. 이는 세계 최초로 ‘메타 표면’을 적용해 성능을 대폭 향상시킨 파면 센서를 이용한 사례로, 복잡한 물체를 단일 측정 방식으로 이미지화 하는 기술이다.

‘메타 표면’이 적용된 기술

메타 표면은 나노미터(㎚, 10억 분의 1미터)에서 마이크로미터(㎛, 100만 분의 1미터) 범위에 해당하는 초정밀 수준의 기하학적 구조로 만들어진 평면을 말한다. 각기 다른 형태와 크기로 이루어진 나노 구조체들이 배치된 평면으로, 전자기파가 가지는 여러 가지 특성을 매우 정밀한 수준에서 제어할 수 있다.

이 기술을 광학기기에 적용할 경우, 의료 현장에서 널리 사용되는 기술들의 성능을 대폭 향상시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 초음파 이미지를 보다 정밀하게 생성할 수 있다거나, 특정 생체 분자나 화학 물질을 보다 빨리 감지해냄으로써 질병 발생 가능성을 더 빨리 찾아낼 수 있다. 

무엇보다, 나노미터 수준의 정밀한 구조체가 활용된 기술이므로, 장비나 기기의 소형화도 가능하다. 연구팀은 메타 표면의 우수한 성능을 활용해, 초소형·다기능 메타 파면 센서를 개발하는데 주력하겠다고 밝힌 바 있다. 즉, 이 기술이 상용화될 경우, 병원 외에서도 사용할 수 있는 소형 이동식 진단 장비가 만들어질 수도 있다.

기존 기술 대비 100배 성능

기존 ‘샥-하트만 파면 센서(Shack-Hartmann wavefront sensor)’는 안과 이미징부터 레이저 치료 및 수술, 로봇 수술 등에 널리 사용돼 왔다. 마이크로 렌즈 배열과 카메라를 결합한 구조로, 간단한 구조 및 높은 내구성을 지녀 의료 현장 및 산업 현장에 널리 사용돼 왔다. 

하지만 이 기술은 마이크로 렌즈의 크기 문제로 ‘공간 해상도’가 1㎟당 100개 수준으로 제한된다. 이 때문에 보다 정밀한 수준에서 복잡한 구조를 갖는 물체의 이미지를 보여줄 수 없다는 한계가 있었다.

카이스트 연구팀은 나노 공정 기술을 기반으로 제작된 메타 표면을 이용해 공간 해상도 문제를 해결했다. 메타 표면 기술로 제작된 메타 렌즈를 활용, 샥-하트만 파면 센서에 비해 약 100배 가량 높은 공간 해상도를 이미징해낸 것이다. 연구팀은 이를 ‘메타 샥-하트만 파면 센서’라고 이름 붙였다. 

1㎟당 10,000개 가까이의 픽셀을 이미징할 수 있게 됨으로써, 기존 기술로 측정할 수 없었던 보다 정밀하고 복잡한 구조체의 위상 이미지를 얻는 데 성공한 것이다.

또한, 연구팀은 메타 샥-하트만 파면 센서를 통한 3차원 위치 추적 테스트 결과, 기존보다 약 10배 큰 시야각을 가지는 것을 확인했다. 거의 모든 가시광선 영역에서 작동하며, 넓은 시야각만큼 보다 넓은 영역에서 특정 개체의 3차원 위치 추적이 가능해진 것이다.

연구를 주도한 연구팀의 고기현 박사는 “메타-샥 하트만 파면 센서는 기존 기술보다 견고하면서 작은 크기를 가지는 장비로서, 초기 질병 진단, 제조 공정의 결함 검출, 자율 주행 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

어떤 일이 가능해지나?

메타 샥-하트만 파면 센서가 의료 현장에 적용될 경우, 가장 먼저 기존보다 훨씬 정확한 진단 및 분석이 가능해질 것으로 예상된다. 높은 해상도로 물체의 모양과 구조를 파악할 수 있고, 넓은 시야각으로 정확한 위치를 추적할 수 있기 때문이다. 

이는 세포나 조직의 미세 구조를 보다 정밀하게 분석할 수 있는 환경을 제공한다. 즉, 암세포와 같은 위험 인자를 보다 크기가 작은 상태에서도 발견, 조기 진단을 할 수 있을 것이고, 세포나 조직 단위에서 진행되는 질병의 예후를 모니터링하는 데도 뚜렷한 기여를 할 수 있을 것이다.

다음으로, 물체의 구조에 대한 해상도가 대폭 증가하는 만큼, 화학 염색 없이도 세포 등 미세구조를 관찰할 수 있게 될 것이다. 이는 생체 조직에 대한 비침습적 접근을 가능하게 할 것이다. 환자 안전성, 감염 위험성, 진단 정확성 면에서 기존 침습적 방식의 조직 검사를 완벽하게 대체할 수 있는 가능성이 열리는 셈이다.

같은 크기에서 해상도가 100배 가량 높아졌다는 것은, 달리 말하면 100분의 1 크기에서 같은 수준의 해상도를 보장할 수 있다는 의미이기도 하다. 이는 기존의 대형 장비와 유사한 수준의 성능을 가졌으되 훨씬 작은 장비를 만들 수도 있음을 뜻한다. 

이는 병원 외에서 긴급한 정밀 진단이 필요할 경우, 보다 신속하게 진단 및 분석이 가능해질 수도 있음을 시사한다. 외부 응급현장에서 빠른 결정을 내려야 하는 경우, 보다 정확한 근거를 제공할 수 있을 것이다.

현장 외 연구 분야에도 기여

이밖에도 다양한 분야에서 응용이 가능할 것으로 보인다. 세포 생물학, 병리학, 조직 공학 등 현장 외의 의료 연구 분야에도 폭넓은 기여를 할 것으로 기대된다. 예를 들면 줄기세포의 성장 및 분화를 관찰하는데 응용하거나, 암세포의 성장 및 침윤 등의 특성을 보다 세밀한 수준에 분석해낼 수 있게 될 것으로 보인다. 기존까지 밝혀낼 수 없었던 질병의 기전을 알아낼 기회가 열릴 수도 있다.

보다 정밀한 진단과 데이터 수집은 환자 개개인에 대한 정확한 의료 데이터를 축적할 수 있게 할 것이다. 이를 통해 개인 맞춤형 치료는 물론, 의료 서비스의 질을 향상시키는 길로 한 걸음 더 나아가게 될 것이다.