공학교육의현장 Part 2 DGIST 신경인터페이스및마이크로시스템연구실 마이크로전자기계공학이의학적필요를만나는곳 DGIST 신경인터페이스및마이크로시스템연구실 김소희 대구경북과학기술원 (DGIST) 로봇공학전공교수 soheekim@dgist.ac.kr KAIST 기계공학과학사 / 석사 University of Saarland 메카트로닉스박사 University of Utah 박사후연구원광주과학기술원 (GIST) 기전공학부교수 ( 현 ) 대구경북과학기술원 (DGIST) 로봇공학전공교수 관심분야 : 신경인터페이스, 뇌 - 기계인터페이스, 소프트 Bio-MEMS 들어가며 DGIST 신경인터페이스및마이크로시스템연구실 (Neural Interfaces & Microsystems Lab.) 에서는몸안에집어넣을수있는매우작은의료용디바이스, 그중에서도특히우리몸의신경계와상호작용할수있는신경인터페이스에관한연구를진행하고있다. 몸안에넣기위해서는크기가매우작은센서나디바이스가필요하므로마이크로전자기계시스템 (micro-electromechanical system 또는 MEMS) 기술을연구하며, 특히, 전통적으로 MEMS의재료가되어온단단한실리콘 (silicon) 에서벗어나, 부드럽고말랑말랑하고휘어지고늘어나는폴리머 (polymer) 재료를기반으로 MEMS 디바이스를만들기위한소프트 MEMS(soft MEMS) 기술에많은관심을두고있다. 개발한소프트 MEMS 기술기반의센서나디바이스는, 뇌또는말초신경에서발생하는신호를읽어내거나또는자극신호를주입할수있는신경인터페이스장치, 뇌신경계또는근육신경계질환을치료하기위한다양한신경자극기기, 유연성또는신축성이필요한부착형건강상태모니터링 / 진단 / 치료 / 재활 장치등으로사용될수있다. 이를위해본연구실에서는기계, 전자, 소재, 의공학적응용이어우러진융합적인연구를진행하고있으며, 임상현장에서의의학적인니즈 (needs) 에따라필요한공학적인기술과방법론을적용하여해결책을찾아가는, 의과대학과의공동연구가많은부분을차지하고있다. 최근 2~3 년간 DGIST 신경인터페이스및마이크로시스템연구실에서진행되고있는몇몇연구를아래에보다자세하게소개하고자한다. 1. 체내이식가능한초소형디바이스, 신경인터페이스및뇌인터페이스연구인간과로봇을연결한다고하면많은경우공각기동대, 매트릭스, 아바타, 퍼시픽림등의 SF영화를손쉽게떠올릴것이다. 이런영화들에서그리는미래의모습을구현할수있는기술이점점가시화되고있는중이다. 이미외국에선뇌에서발생한전기적신호를읽어내고분석하여로봇팔의움직임을제어할수있으며, 로봇손이느낀감각을부호화하여팔신경에주입함으로써피험자가자신이무엇을만지고있는지에대한촉감을느낄수있다! 34 공학교육
마이크로전자기계공학이의학적필요를만나는곳 - DGIST 신경인터페이스및마이크로시스템연구실 그림 1. 신경신호읽어내기와신경세포에자극신호주입하기 뇌에서몸의구석구석으로전달되는명령신호를읽어내는것과몸의말단에서느낀여러가지감각이인코딩 (encoding) 되어뇌로올라가는신호를읽어내는것, 두가지목적모두를위해서마이크로전극으로이루어진신경인터페이스가필요하다 ( 그림 1). 신경세포 (neuron) 에서발생하는전기적신호를획득하기위해서는수마이크로미터에서십수마이크로미터정도크기에불과한신경세포와유사한크기를갖는매우작은전극 ( 센서 ) 이필요하며, 하나의작업을수행하는데에수많은신경세포가관여한다는점을고려하면동시에여러신경세포에서신호수집이가능하도록다수의전극이포함된전극어레이디바이스가필요하게된다. 또한, 신경신호를읽어낼수있다면, 거꾸로외부에서생성한전기적인펄스를신경세포에주입하는것도가능하므로신경세포를특정한패턴으로자극하는것도가능하다 ( 그림 1). 이러한신경인터페이스는집적회로 (integrated circuit 또는 IC) 를제작하는반도체제조기술에서출발한실리콘기반의 MEMS 기술로부터발달해왔다. 실리콘기반의전극기술은작은크기안에많은수의전극을고밀도로재현성있게제작하는것이가능하나, 단단 한실리콘재료의특성으로인해말랑말랑한뇌와같은신경조직과의기계적인물성에서극심한차이가있어기계적생체적합성이떨어지는단점이존재한다. 본연구실에서는이문제를해결하기위해, 신경조직과보다유사한기계적특성을갖는폴리머재료를사용하여, 잘휘어지고표면에밀착가능한특성을갖는마이크로바늘형전극을개발하였다 ( 그림 2). 실리콘으로이루어진마이크로바늘구조에, 폴리머재료에서기인하는유연성이가미된본전극의경우, 굴곡이많은뇌표면에도쉽게밀착되어보다넓은뇌피질에서의신호획득이가능하다. 이로인해기존의실리콘기반전극이매우국소적인부위에대해깊이방향으로는고해상도로신호측정이가능하지만횡방향으로넓은면적으로부터신호를얻어내는데는한계가있었던점을극복할수있다. 또한, 본전극은원통형기둥형상인말초신경을밀착하면서감쌀수있으면서동시에신경을침습해들어가는것이가능하므로말초신경내개별신경세포로부터의고해상도신호측정이가능하다. 개발된전극을사용하여쥐 (rat) 의뇌에서발생하는신호를측정한예시 ( 그림 3) 와중간크기동물의말초신경에서발생한신호를측정한예시 ( 그림 제 25 권제 2 호 35
공학교육의현장 Part 2 DGIST 신경인터페이스및마이크로시스템연구실 그림 2. 유연하게휘어지는바늘형마이크로전극 그림 3. 쥐의대뇌피질에서획득한신경신호 4) 를아래에보여주고있다. 전극을사용하여신호를측정하거나또는자극신호를주입하는경우는, 전극과체내전해질사이에발생하는전하를띤입자 ( 전자또는이온 ) 의흐름, 즉, 전류를감지하거나생성하는것이다. 전극을몸안에넣게되면필연적으로우리몸의방어기제, 즉, 면역반응과이물질반응에의하여전극을세포들이둘러싸게된다. 이러한세포들은전극에대해절연막으로작용하게되어전극의기능을떨어뜨린다. 본연구실은이러한문제를최소화하려는연구도진행하고있지만, 그와더불어, 보다근본적으로이러한문제에서자유로울수있는신경자극방식을연구하고있다. 즉, 직접적으로전하의이동이발생해야하는전기적자극이아닌, 자기장을이용하여간접적으로신경세포의세포막전위 (membrane potential) 에변화를일으키는방식이다 ( 그림 5). 교류전류가흐르는도체 ( 코일 ) 가있을때주변에있는도체 ( 신경조직 ) 에기전력이유도되는전자기유도방식으로신경자극을가하게되면, 면역반응과이물질반응에의하여코일이세포층으로둘러싸이게되더라도코일이발생시키는자기장의크기에는영향을주지않아자극효과를유지할수있다. 이러한자기적자극방식을과연사람에사용할수있는지, 너무큰전류로인한열발생이위험하지는않 그림 4. 중간크기동물의뒷다리신경에서여러채널로동시획득한신경신호 [ 출처 : Byun et al., Journal of Neural Engineering 14, 046023 (2017)] 36 공학교육
마이크로전자기계공학이의학적필요를만나는곳 - DGIST 신경인터페이스및마이크로시스템연구실 은지등을컴퓨터시뮬레이션연구를통해먼저알아본후, 실제로뇌조직에대해자극이가능한지, 자극파라미터의변경에대해어떠한경향을보이는지, 자극의지속여부등을연구하고있다. 그림 5. 전자기유도방식을이용하여자기장으로신경세포의세포막전위변화를유도하는신경자극방식 2. 신생아에서의악력측정을위한신축성악력센서연구유연성과신축성이있는폴리머박막위에도선을형성하는소프트 MEMS 기술을활용하여다양한신축성센서를개발하는연구도진행하고있다. 그림 6은미숙아들의입원기간단축에도움이될수있도록미숙아의악력을재기위한센서이다. 미숙아들은빨기힘이충분치않아입으로모유또는분유를먹는데어려움을겪 으며, 입원하여경관식이를해야함으로인해의료비부담이증가한다. 만일미숙아들의빠는힘이어떻게향상되고있는지추이를객관적으로예측가능하다면, 병원입원기간을줄여의료비부담을줄일수있다는데서본연구가시작되었다. 임상적으로신생아에서빠는힘 (sucking power) 은쥐는힘 (grasping power) 과연관되어있다고 (hand-mouth coordination) 알려져있으나, 이를정량적으로측정한연구는없었다. 미숙아의경우와같이빠는힘이약한경우는손으로쥐는힘도약하다고알려져있으므로, 쥐는힘을잘측정해낼수있다면빠는힘의예측이가능할것이다. 위생상의문제나수유하는동안센싱의어려움등의이유로미숙아에서빠는힘을직접재는것은매우도전적이다. 그러나, 빠는힘과쥐는힘사이의연관성을활용하면, 빠는힘을직접재는대신에아기에게수유를하는동안악력을측정하여빠는힘을간접적으로예측할수있다. 이에, 두종류의유연성및신축성을갖춘압력센서를개발하였다. 하나는스트레인게이지타입의압력센서로, 하나의디바이스로빨기힘과쥐는힘을모두재는것이가능하다. 다른하나는커패시터타입의압력센서로쥐는힘을잴수있으며, 실제로병원에서미숙아의악력을판단할때사용하는방식 ( 의사의손가락을아기가움켜쥘때느껴지는힘의세기를주관적으로판단 그림 6. 미숙아의악력측정을위한두가지타입의신축성압력센서 : (a) 커패시터타입의압력센서, (b) 스트레인게이지타입의압력센서 제 25 권제 2 호 37
공학교육의현장 Part 2 DGIST 신경인터페이스및마이크로시스템연구실 함 ) 과보다유사하다. 이는신축성압력센서이기에가능하다. 3. 기존에없던방법론을제시한물고기용센서연구본연구실의또다른연구로는, 비교적최근들어연구자들사이에서주목도가높아지고있는실험동물인제브라피쉬연구가있다. 제브라피쉬는열대어의일종으로, 관상용으로쉽게구입할수있으며, 번식력과생명력이매우강하다 ( 그림 7). 제브라피쉬가연구자들의주목을끄는이유는, 포유류만큼은아니지만인간과어느정도유전적유사성을갖추고있고, 번식주기가짧고한번에대량번식이가능하기때문에, 많은개체수가필요한신약후보물질개발등의연구에서경제적으로활용할수있기때문이다. 또한짧은번식주기로인해환경적인요인, 독성물질등이갖는세대에걸쳐전해지는영향에대한연구도가능하다. 분자생물학, 유전학, 약동학등의분야연구자들이먼저제브라피쉬를실험동물로활용해오고있으며, 제브라피쉬에서특정질환모델을생성하여약효를분석하고자하는경우전기생리학적신호측정에대한수요가제기되었다. 이는실제임상진료의현장에서근신경계질환, 뇌신경계질환의경우근육또는뇌에서발생하는전기생리학적신호를측정하여분석하는것이확실한임상적진단을내리는프로토콜로사용되고있기때문이다. 그림 7. 경제적이며효율적인실험동물로주목받고있는제브라피쉬 본연구실에서는 MEMS 기술로제작한센서를사용하여, 몸통길이가 3mm에불과한부화후 5일된제브라피쉬치어에서근전도를측정하였다 ( 그림 8, 우 ). 이러한근전도측정기술을활용하면제브라피쉬에서유전적근신경계질환을매우이른시점에파악할수있게됨과동시에, 난치성근신경계질환을치료할수있는신약후보물질을찾아내는데에도실험동물의사육과유지, 관리에드는비용을획기적으로줄일수있다는장점이있다. 또한, 제브라피쉬성체에서발생하는뇌파를비침습적인방식으로측정하였다 ( 그림 8, 좌 ). 비침습적방식이란, 뇌에전극 ( 바늘 ) 을찔러넣지않고피부에부착하는것만으로신호측정이가능한방식을말한다. 이렇게함으로써, 개체에아무런상처를남기지않기때문에실험후개체를다시수조로돌려보낼수있으며, 뇌파전극을여러 그림 8. 제브라피쉬성체에서 4 채널동시뇌파를측정한결과 ( 좌 ) 및부화한지 5 일된제브라피쉬치어에서근전도를측정한결과 ( 우 ). 38 공학교육
마이크로전자기계공학이의학적필요를만나는곳 - DGIST 신경인터페이스및마이크로시스템연구실 그림 9. DGIST 가위치하고있는비슬산자락에서김소희교수와연구실구성원들 개배치시킴으로써하나의채널이아닌다채널뇌파측정이가능하였다. 이방식으로뇌전증경련이유도된제브라피쉬의뇌파를측정하였고, 향후뇌전증치료약물을개발하려는노력에보탬이되고자한다. 이러한기술들을바탕으로제브라피쉬를사용하는국내외대학, 주로의과대학들과의공동연구를진행중에있다. 마치며 2009년광주과학기술원에서시작되어 2015년말부터 DGIST에서이어지고있는본연구실은현재까지 3명의박사, 11명의석사를배출하였다. 현재는박사과정 2명, 석박사통합과정 2명, 석사과정 6명이재학중에있다. 융합적인분야를연구하기위해서기본적으로기계공학, 전기전자공학, 재료공학, 의공학등각학문분야에서의기본적인원리와이론을이해하는것이필요한데, 원리를이해하여야연구과정에서부닥치는다양한문제와어려 움을해결하고극복할수있기때문이다. 본연구실에서진행되는연구의목적은대부분생체를더잘이해하고그를바탕으로다시새로운공학적인솔루션과적용을찾고자하는데있으므로, 신경과학, 신경생리학, 해부학등의기본적인지식도필요하다. 앞서설명한연구주제들은임상 / 의학현장에서의니즈에서출발하여공학적인솔루션을도출해내는융합적연구의예시라고볼수있을것이다. 본인에게아이디어가있다면자유롭게새로운시도를해볼수있고, 그것을바탕으로특허출원이나논문작성까지도가능하도록장려하는자율적인분위기가학생개개인의창의성을발휘하는데도움이된다고믿고있다. 지도하는학생들, 특히박사과정이나석박사통합과정학생들의경우함께일하게될수도있는미래의동료라고생각하며, 함께문제에대한해결책을찾아간다는자세로지도하고자한다. 제 25 권제 2 호 39