▲투과전자현미경으로 관찰한 신경세포의 축삭(Axon)에 주입된 금 나노막대 (GNR)의 모습 © 미래창조과학부

국내 연구진이 “빛을 이용해 신경조직을 안전하고 세밀하게 자극할 수 있는 방법”을 세계 최초로 개발했다.

이번 연구는 기존의 전기적 방식과 달리 전극이나 시스템을 이식할 필요가 없이 외부에서 조사(照射)된 빛으로 국소적인 신경자극이 가능하며, 향후 파킨슨병이나 간질과 같은 난치성 신경질환을 치료하기 위한 신경 보철장치에 활용되어 국내 의료기기 산업 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업의 스마트IT융합시스템연구단(단장 경종민), 미래유망융합기술파이오니어사업 및 중견연구자지원사업의 지원으로 김성준(서울대), 변경민(경희대), 전상범(이화여대) 교수팀이 공동연구로 수행하였다. 연구 결과는 세계적 학술지인 ‘Small’지(紙) 최신호 지난달 15일자 Frontispiece 표지논문으로 선정됐다.

손상된 감각이나 운동신경을 치료하거나 그 기능을 대체하기 위한 신경자극에 대한 연구가 활발히 수행되어 왔다. 그러나 그간 연구된 전기를 이용한 신경 자극법이나 초음파나 자기장을 이용한 신경 자극법은 실제 적용에 한계가 있었다.

전기 자극법은 직접 전극이나 시스템을 환자에게 수술하여 이식해야 하므로 감염 등의 문제가 있고, 외부에서 초음파나 자기장을 발생하여 신경을 자극하는 것은 인체에 무해하나 시스템이 복잡하고 국소적인 자극이 어렵다.

최근에 열에 의해 신경세포나 세포조직 활동을 제어할 수 있다는 연구결과가 보도되어 열을 이용한 새로운 신경조직 자극 방식을 고안하기 위한 연구가 진행되고 있다.

연구진은 적외선을 흡수하여 열을 발생시키는 금 나노막대 기반의 ‘나노히터’를 개발하고 이를 실험동물의 국소 신경조직에 주입했다. 그리고 실험동물에게 적외선을 비췄다. 연구진은 적외선이 신경세포 근처에 있는 금 나노막대에서 열을 발생시키고 발생된 열이 안전하고 효과적으로 신경을 자극하는 것을 확인했다.

980nm의 파장을 갖는 적외선 펄스를 사용했으며, 나노히터를 이용하여 신경자극의 효과가 5배 이상 향상됨을 확인했다. 또한 자극 역치(생명체가 자극에 대해 반응을 일으키는데 필요한 최소한도의 자극세기)에 대한 적외선 에너지도 1/3 수준으로 낮아지는 것을 확인하여 신경조직의 손상이 없는 안전한 빛 자극이 가능함을 보였다.

연구팀은 “이번 연구는 나노히터 기반의 무전극 신경자극 기술을 기반으로 기존 전기 자극법과 차별화되는 새로운 신경보철 시스템 관련 원천기술을 확보하였으며, 빛을 이용한 신경자극 연구와 신경치료기법의 새로운 가능성을 개척하였다.”라고 연구의의를 밝혔다.