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* 소금 알갱이만큼 작으며 수백 개를 뇌 표면에 바를 수 있다.
* 뇌 신호를 포착하고 특히 뇌 영역을 자극할 수 있는 센서 네트워크 역할
* 마비된 사람들 로봇 팔과 의수 제어 가능, 파킨슨병이나 중증 우울증 환자의 뇌심부 자극
* 뉴로그레인 기술, 뇌가 어떻게 작동하는지 더 많이 배울 수 있는 새로운 기회 열어

"뉴로그레인"은 뇌의 소리를 듣는다.
수백 개의 초소형 무선 마이크로칩이 미래의 두뇌-컴퓨터 인터페이스로 사용될 것이다.

뇌에 마이크로칩:
연구원들은 뇌에 이식할 수 있는 새로운 유형의 센서인 뉴로그레인을 개발했다.
그것들은 무선이며 소금 알갱이만큼 작으며 수백 개를 뇌 표면에 바를 수 있다. 거기에서 그들은 뇌 신호를 포착하고 특히 뇌 영역을 자극할 수 있는 센서 네트워크 역할을 한다.
Neurograin 기술은 우리의 사고 기관이 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있고지만 새로운 치료 옵션을 열 수도 있다. 팀이 전문 잡지 "Nature Electronics"에 보고한 내용이다. 

▲ 손가락 끝에 어옿여 있는 뉴로그레인. © Jihun Lee

인간-기계 인터페이스를 통해 뇌 신호를 유도하고 판독하거나 뇌의 특정 영역을 자극할 수 있다. 일반적으로 이것은 컴퓨터에 연결된 이식된 전극을 통해 수행된다. 이러한 시스템의 도움으로 마비된 사람들이 로봇 팔과 의수를 제어할 수 있고 파킨슨병이나 중증 우울증 환자는 뇌심부 자극을 받는다.

이러한 인터페이스의 도움으로 언어 및 시각적 사고도 읽을 수 있다.
이러한 시스템의 대부분은 뇌 표면에 부착된 다음 케이블 또는 무선 연결을 통해 머리 외부의 수신 모듈에 연결되는 수십에서 수백 개의 전극으로 구성된 소형 "패치"를 사용한다.
그러나 단점은 이러한 어레이가 한 번에 하나의 뇌 영역만 덮는다는 것이다. 뇌 신호를 종합적으로 읽는 것은 거의 불가능하다.

마이크로칩 네트워크

"따라서 우리의 아이디어는 모놀리식 센서 블록을 전체 피질에 분포할 수 있는 작은 개별 센서로 나누는 것이었다"고 브라운 대학의 아르토 누르미꼬(Arto Nurmikko)는 설명한다. 이를 위해 그와 그의 팀은 뇌 신호를 자율적으로 인식, 캡처 및 증폭하고 무선 신호 형태로 머리 외부의 수신 장치로 보내는 네트워크로 연결된 작은 센서 장치인 "뉴로그레인(Neurograins)"을 구축했다.

지문만 남은 수신부는 반창고처럼 두피에 달라붙어 여러 기능을 수행한다. 한편으로는 자체 네트워크 주소를 통해 제어할 수 있는 Neurograins의 신호를 조정하고 컴퓨터로 전달한다는 점에서 일종의 라우터처럼 작동한다. 반면에 "반창고"는 무선으로 작은 마이크로칩에 에너지를 공급한다.

제1저자인 브라운 대학의 이지훈은 "다학문적 도전이었다"고 말했다. "우리는 Neurograin 시스템을 개발하기 위해 전자기학, 무선 주파수 통신, 회로 설계 및 신경 과학 분야의 전문 지식을 결합해야 했다.“

▲ 그림 1: 분산형 자율 네트워킹을 위한 무선 뉴로그레인 시스템. (출처: 관련논문 Neural recording and stimulation using wireless networks of microimplants)

쥐 실험 성공

Neurograins는 이미 초기 실용 테스트를 통과했다.
연구팀은 기절한 쥐의 뇌 표면에 이러한 마이크로칩 48개를 배치하고 마취된 동물의 전형적인 뇌 신호를 성공적으로 도출할 수 있었다. 마이크로칩은 네트워크 주소를 통해 개별적으로 식별될 수 있어서 어떤 신호가 어디에서 오는지 정확하게 결정할 수 있다.

이 Neurograins 네트워크를 통해 표적 자극도 가능했다.
Lee와 그의 동료들은 "우리는 먼저 이식된 앙상블에서 단일 뉴로그레인을 선택하고 일련의 전기 100Hz 펄스를 방출하도록 했다. 추가 테스트에서 그들은 동시에 여러 뉴로그레인에 자극 명령을 보내 자극의 특정 공간 패턴을 만들었다. "테스트를 통해 마이크로칩이 다운링크 명령에 개별적으로 반응하고 이전에 정의된 패턴으로 전기적 미세 자극을 전달할 수 있음이 확인되었다"고 팀은 기술했다.

신경 탐색 및 치료의 기회

과학자들에 따르면, 뉴로그레인 기술은 뇌가 어떻게 작동하는지 더 많이 배울 수 있는 완전히 새로운 기회를 열어준다. 현재 형태로 마이크로칩 네트워크는 이미 최대 770개의 개별 센서를 포함할 수 있다. 그러나 연구원들은 이미 Neurograins의 크기를 더 줄이고 네트워크를 소금 알갱이 크기인 수천 개의 칩으로 확장할 계획이다.

"우리의 희망은 궁극적으로 뇌에 대한 새로운 과학적 통찰력을 열어주고 새로운 치료법을 가능하게 하는 시스템을 개발하는 것이다"고 누르미꼬(Nurmikko)는 말했다. 그러나 일부 사람들에게는 뇌의 마이크로칩에 대한 생각이 열정보다는 불편함을 불러일으킬 가능성이 있다.
(Nature Electronics, 2021; doi: 10.1038/s41928-021-00631-8)

출처: Brown University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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