수술 없는 뇌 임플란트(non-surgical brain implants)가 신경 질환 치료의 패러다임을 바꾸고 있다. MIT 연구진은 혈액 순환계를 통해 이동하며 뇌의 목표 영역에 자율적으로 자가 이식되는 미세 무선 생체전자 장치를 개발했다. 이 기술은 본질적으로 면역 세포와 전자 장치를 결합한 ‘서큘레이트로닉스(Circulatronics)’라는 혁신적인 접근법을 사용한다. 연구팀은 실험을 통해 염증 부위 주변에서 30μm 정밀도로 신경 자극이 가능함을 입증했다. 특히 알츠하이머병과 다발성 경화증 같은 뇌 질환 치료에 유망한 결과를 보여주고 있다. 우리는 이 글에서 비침습적 뇌 수술(non invasive brain surgery) 기술의 작동 원리와 임상 적용 가능성을 살펴볼 것이다.

MIT 연구팀이 개발한 순환 전자 기술의 작동 원리

버클리 캘리포니아대학 보리스 루빈스키 교수 연구팀은 인체 세포와 미세전자회로를 융합한 생체 칩 개발에 성공했다. 이 non-surgical brain implants 기술은 세포막이 특정 전압에 노출될 때 막공이 열린다는 기존 이론을 기반으로 작동한다. 연구진은 머리카락보다 가늘고 작은 생체 칩을 인체 특정 부분에 이식한 후 컴퓨터를 통해 전기충격을 가하면 해당 세포의 활동을 조절할 수 있음을 밝혔다.

전기충격이 결합된 전자회로를 통해 세포막공의 개방을 유도함으로써 세포를 활성화시킨다. 루빈스키 교수는 “우리는 생물학 분야에 공학을 도입했다”면서 “이제는 인접한 다른 세포를 귀찮게 하지 않고 해당 세포에 DNA를 주입하거나 단백질을 추출하거나, 또는 의약물을 투여할 수 있게 됐다”고 설명했다.

실제로 과학자들은 세포 내에 새로운 의약물질이나 유전자 물질을 주입하기 위해 세포들에 전기충격을 가하는 실험을 지속해왔다. 이 non invasive brain surgery 기술은 세포막공을 정교하게 개방시킬 수 있어 난해한 유전자 요법 과정을 더 효과적으로 통제할 수 있다.

염증 부위를 정밀 타겟팅하는 뇌 자극 시스템

기존 비침습 뇌 전기자극 기술은 자극 범위가 넓고 정밀한 조절이 어려워 치료 효과에 한계가 있었다. 이런 문제를 해결하기 위해 연구팀은 광민감 단백질과 상향변환입자를 활용해 밀리미터 범위 내의 뇌 영역에서 신경 세포를 활성화하거나 억제하는 시스템을 개발했다. 적색광으로 신경을 활성화하고 근적외선을 통해 신경 활동을 억제할 수 있는 양방향 조절 방식을 구현했다.

초소형 무선 광전자 장치를 개발해 실험동물이 자유롭게 움직이는 상태에서도 휴대폰으로 다중 뇌 부위의 정밀한 신경 조절을 가능하게 했다. 이와 함께 새끼손가락 손톱 절반 크기의 초소형 코일 3.5mm를 뇌 표면에 올려둔 상태에서 특정 부위만 자극할 수 있는 방식이 개발됐다. 이 코일에서 발생하는 자기장의 크기는 약 500밀리테슬라로 안전성을 높이면서도 효과적인 자극을 가능하게 한다.

특히 연세대 서정목 교수 연구팀은 전극 표면에서 염증을 유발하는 비특이적 단백질과 면역세포의 부착을 선택적으로 억제하는 TAB 코팅 기술을 개발했다. TAB 코팅을 적용한 신경 전극은 1년 이상 안정적인 뉴런 활동 기록에 성공했다.

파킨슨병과 알츠하이머 치료의 새로운 가능성

KAIST 연구팀이 개발한 초소형 무선 뉴럴 임플란트 MOTE는 신경퇴행성 질환 치료에 새로운 전기를 마련했다. 소금 결정보다 작은 이 장치는 생쥐 뇌에서 1년간 안정적으로 뇌파를 측정했으며 염증 반응이 거의 발생하지 않았다. 배터리 없이 외부 빛으로 작동하는 완전 무선 시스템으로 알츠하이머병과 파킨슨병 같은 난치성 신경 질환의 모니터링과 치료 기술 개발에 폭넓게 활용될 수 있다.

특히 파킨슨병 치료에서 획기적인 발견이 있었다. 미국 워싱턴대와 중국 베이징대 공동 연구팀은 파킨슨병 환자 860명 이상의 뇌 데이터를 분석해 SCAN 네트워크가 핵심 역할을 한다는 사실을 밝혔다. SCAN을 정확히 겨냥한 뇌 자극 치료는 평균 56% 증상 호전을 보였고, 주변부 운동 영역 자극은 22%에 그쳐 치료 효과가 2.5배 높았다.

비침습적 신경 자극 치료인 반복 경두개 자기자극(rTMS)도 주목받고 있다. 삼성서울병원은 뇌졸중과 파킨슨병 환자를 대상으로 비침습적 뇌자극을 시행해 효과를 입증했다. 이처럼 non-surgical brain implants와 non invasive brain surgery 기술은 신경퇴행성 질환 치료의 희망을 제시한다.

결론

수술 없는 뇌 임플란트 기술은 신경 질환 치료에 실질적인 변화를 가져오고 있다. 혈액 순환계를 통한 자가 이식 방식과 30μm 정밀도의 타겟팅 기술은 본질적으로 침습적 수술의 필요성을 제거했다. 파킨슨병 치료에서 56%의 증상 호전율을 보였고, 1년 이상 안정적으로 작동하는 무선 시스템도 개발됐다. 우리는 이 기술이 알츠하이머병과 다발성 경화증 환자들에게 새로운 치료 기회를 제공할 것으로 기대한다.