손상된 신경을 대체할 수 있는 인공신경 개발

루게릭병 헌팅턴병 등 신경손상 질병들은 치료를 통해 완치하기 어려웠습니다. 지금까지 풀지 못했던 난제를 신축성 인공신경기술로 해결하는 게 이번 연구의 핵심과제입니다.

 

한국 공학 교수 주도로 손상된 신경을  대체할 수 있는 인공신경 개발

이태우 서울대 재료 공학부 교수

 

신경은 생체 신호를 전달해 주는 역할을 수행하는 생명활동에 필수적인 기관입니다. 신경이 손상될 경우 두뇌에서 몸으로 신경 신호가 제대로 전달되지 않아 신체의 기능을 영구적으로 일부 또는 전부 상실하게 되며, 한번 손상된 신경은 외과적 수술이나 약물치료 등으로도 재건이 어려워 지금까지 신경 손상에 따른 신체 기능 일부 또는 전부를 상실한 환자는 치료가 사실상 불가능하다는 것이 의학계의 불문율이었습니다.

하지만, 인공 신경을 이용해 척수손상, 루게릭, 파킨슨 등 신경 손상에 의한 질병 및 장애로 고통받는 이들에게 새로운 해결책을 제시할 수 있는 연구 결과가 발표됐습니다.

 

이태우 교수가 이끄는 서울대 재료공학부 교수팀과 제난 바오 스탠포드대 교수 국제 공동연구팀은

신경을 모방하는 ‘뉴로모픽(Neuromorphic) 유기 인공 신경’을 통해 척수손상으로 신경이 마비된 쥐 모델의 근육 운동을 회복하는 데 성공했다고 16일 발표했습니다.

 

이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)에 게재됐는데, 연구를 시작한 지 10년 만의 쾌거라고 합니다.

척수 손상으로 신경이 마비된 주의 다리에 신축성 인공신경을 붙이는것을 설명한 그림.

 

이교수와 서울대 재료 공학부 연구팀은 생체 신경섬유와 비슷한 '인공 신경'을 만들어 척수가 손상된 동물을 움직일 수 있게 하는 기술을 연구했습니다.  

 

 

인공신경은 신경 손상 분야에서 활용해온 기존 ‘기능적 전기자극 치료(Functional Electrical Stimulation, FES)’에 비해 가용성 측면에서 한 차원 앞선다는 평가를 받고 있습니다. 기능성 전기자극 치료는 움직일 수 없게 된 근육에 전기 자극을 지속적으로 가해 근육 운동을 유발하는 치료로, 제한된 공간에서 수십 대의 초고속 카메라와 거대한 배터리 등 많은 장비가 필요해 일상생활에서 활용도가 매우 낮다는 단점이 있습니다.

 

하지만, '신축성 유기 인공 신경’은

인체의 신경이 아주 작은 전기 작용을 증폭시켜 에너지로 활용할 수 있다는 원리를 차용하여 "저전력"의 전기 자극을 통해 신경 신호를 전달하고 근육의 움직임을 제어하는 데 성공한 것입니다.

이 교수는 “신경 손상 분야는 의학의 발전에도 불구하고 난제로 남아있었다. 현재까진 생물학·의학적 접근으로 연구가 이뤄지면서 합병증에 의한 부작용 우려 등이 있어 연구가 천천히, 어렵게 진행됐다. 신경이 손상됐을 때 발생하는 가장 큰 문제는 남아있는 다른 부분의 신경이 저절로 손상된다는 것이다. 하지만, 신축성 인공신경을 활용하면 신경이 절단된 환자들에게 도움이 될 수 있다."라고 이번 연구 결과의 의미를 강조했습니다.

또한, 인공 신경의 또 다른 장점은

기존 신경을 대체하면서 근육에 무리가 갈 정도의 움직임을 제어하기 때문에 과도한 움직임으로 인한 근육이나 뼈의 손상을 피할 수 있다는 점입니다. 이 교수는 이번 연구에서는 외부 컴퓨터의 조력 없이도 쥐의 다리 움직임을 감지해 인공 시냅스에 실시간으로 피드백을 줘서 다리의 과도한 움직임으로 근육이 손상되는 것을 방지했다"라고 설명했습니다.

 

향후 20년 안에 신축성 인공신경이 인간의 신경을 대체할 수 있도록 하는 게 이 교수의 목표라고 합니다. 이를 위해서는 인간의 뇌파, 즉 자유의지를 해석해 근육에 전달할 수 있어야 하는데, 이를 위해선 다른 분야와의 협력이 필수적입니다. 저희가 한 건 인공신경의 초창기 연구예요. 이제부터는 제 의지도 중요하지만 협력이 중요합니다. 자유의지로 움직일 수 있게 하는 게 최종 목표인데, 다학제적 협력이 중요한 부분입니다. 정부의 의지가 있어서 의학에서부터 생물학, 의공학, 재료공학, 전자공학 등 전문가들을 한 곳에 모은 센터를 만들어 연구할 수 있다면 20년보다 훨씬 빨리 진행될 수 있을 거라 생각합니다.

- 이태우 교수 -

 

https://youtu.be/CFdqKjQJnVk?si=jxFCDEV59r2cHAMk