< (왼쪽부터) 장경인 교수, 손지은 박사과정, 오세혁 박사 후 연구원, 하정대 박사 후 연구원 >

알츠하이머병 치료제를 투여하면 뇌 속에서는 어떤 변화가 일어날까? 우리 대학 공동 연구진이 뇌에 심은 작은 신경칩으로 기억·학습에 관여하는 신경전달물질의 변화를 무선으로 실시간 추적했다. 미니돼지에서 약물 투여 후 신호가 증가했다가 회복되는 과정을 확인해, 치료제 작용 평가와 뇌 반응에 맞춘 자극 조절 연구에 활용될 것으로 기대된다.

우리 대학은 기계공학과 장경인 교수 연구팀이 대구경북과학기술원(DGIST, 총장 이건우), 한국뇌연구원(KBRI, 원장 이승복), 한국생명공학연구원(KRIBB, 원장 권석윤) 연구진과 공동으로 신경전달물질인 ‘아세틸콜린’을 감지하는 센서에 빛 자극 소자와 소형 무선 계측 기술을 결합한 이식형 신경칩을 개발했다고 27일 밝혔다.

< 손끝에 올린 이식형 신경 프로브 >

아세틸콜린은 신경세포 사이에서 정보를 전달하며 기억과 학습에 중요한 역할을 하는 물질이다. 알츠하이머병 치료제인 ‘도네페질’은 아세틸콜린을 분해하는 효소의 작용을 억제해, 이 물질이 더 오래 작용하도록 돕는다. 약물 투여 후 뇌의 특정 부위에서 아세틸콜린이 어떻게 변하는지 살펴보면 약물의 작용을 이해하는 데 도움이 된다.

연구팀은 개발한 신경칩을 미니돼지의 전전두피질에 삽입하고, 도네페질을 투여한 뒤 아세틸콜린 신호를 무선으로 측정했다. 전전두피질은 판단과 주의, 기억 등 인지 기능에 관여하는 뇌 영역이다. 실험에서는 약물 투여 후 아세틸콜린 신호가 증가했다가 서서히 회복되는 과정이 관찰됐다. 뇌의 특정 부위에서 일어나는 화학적 반응을 몸 밖에서 연속적으로 확인한 것이다.

< 뇌 속 아세틸콜린 변화를 측정하는 이식형 무선 신경칩의 구성과 작동 원리 >

감지 기술의 핵심은 신경전달물질의 변화를 전기 신호로 바꾸는 감지층이다. 연구팀은 미세한 구멍이 많은 키토산에 은과 백금으로 만든 아주 가는 나노선을 결합했다. 구멍이 많은 구조는 아세틸콜린을 감지하는 효소가 넓게 붙도록 돕고, 나노선은 효소 반응으로 생긴 물질을 전기 신호로 바꾸는 역할을 한다.

다른 물질의 신호가 섞이는 것을 줄이기 위한 장치도 마련했다. 뇌에 삽입하는 가느다란 탐침 양쪽에 효소가 있는 전극과 없는 전극을 각각 배치했다. 두 전극의 신호를 비교해 공통으로 잡히는 간섭을 줄이고 아세틸콜린의 변화를 구분하는 방식이다. 측정값은 소형 회로를 거쳐 블루투스로 외부 기기에 전달된다.

이 신경칩은 뇌 속 변화를 감지하면서 빛으로 신경세포를 자극할 수도 있다. 연구팀은 별도의 생쥐 실험에서 칩에 내장된 초소형 발광다이오드(LED)로 빛 자극을 주었을 때 아세틸콜린 신호가 증가하는 것을 확인했다.

동물실험에는 공동 연구기관의 전문성이 더해졌다. 한국생명공학연구원은 미니돼지 공급과 수술을, 한국뇌연구원은 생쥐 수술과 실험을 지원했다.

이번 기술은 뇌 질환 치료제가 뇌에서 어떻게 작용하는지 살펴보는 연구에 활용될 수 있다. 약물의 양이나 투여 간격을 바꿨을 때 뇌 속 신경전달물질의 반응이 어떻게 달라지는지 비교하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

뇌의 반응을 확인하며 자극을 조절하는 ‘폐회로형 신경 인터페이스’ 연구에도 기반이 된다. 뇌에 자극을 준 뒤 센서로 변화를 읽고, 그 결과에 따라 다음 자극의 세기나 시점을 조절하는 방식이다. 이번 연구는 감지와 빛 자극 기능을 하나의 칩에 담아 이러한 시스템으로 발전할 가능성을 보여줬다.

다만 이번 연구는 동물의 뇌에서 신경전달물질의 변화를 측정한 것으로, 알츠하이머병 치료 효과나 기억력 개선을 확인한 것은 아니다. 사람에게 적용하려면 뇌에 오래 삽입해도 안전한지, 측정 성능이 안정적으로 유지되는지 등을 추가로 검증해야 한다.

< 연구 이미지 (AI 생성) >

장경인 교수는 “이번 연구는 뇌 속 변화를 읽고, 그 반응에 맞춰 자극을 조절하는 기술로 나아갈 기반을 마련했다”며 “앞으로 치료제가 뇌에서 어떻게 작용하는지 살피고, 뇌 상태에 맞는 자극 방법을 찾는 데 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구팀은 교원창업기업인 엔사이드 주식회사(대표 장경인)를 통해 관련 기술의 사업화를 추진할 계획이다.>

이번 연구에는 DGIST 소속 손지은·오세혁·하정대 연구자가 공동 제1저자로, KAIST 기계공학과 장경인 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 셀 프레스(Cell Press)가 발행하는 소자·응용기술 분야 국제학술지 ‘디바이스(Device)’에 10월 14일 게재됐다.

※ 논문명: Implantable Neural Chip with Electrochemical Sensing and Optogenetic Stimulation for Monitoring of Cholinergic Pharmacological Responses, DOI: 10.1016/j.device.2026.101329

출처 : https://researchnews.kaist.ac.kr/researchnews/html/news/?mode=V&mng_no=68650