[📪정보] 뇌를 실리콘 기반 기술에 직접 연결하기위한 새로운 장치 개발

스탠포드 대학의 연구원들은 뇌를 실리콘 기반 기술에 직접 연결하기위한 새로운 장치를 개발했습니다

마이크로 와이어 어레이의 클로즈업. 실리콘 칩이 상단에 부착되고 하단의 전선이 뇌에 부드럽게 삽입되어 연구원들은 신경 활동 동영상을 촬영할 수 있습니다.

스탠포드 대학의 연구원들은 뇌를 실리콘 기반 기술과 직접 연결하기 위한 새로운 장치를 개발했다. 뇌-기계 인터페이스 장치는 이미 존재하고 보철, 질병 치료 및 뇌 연구에 사용되고 있지만, 이 최신 장치는 기존 옵션보다 간섭이 덜하면서 더 많은 데이터를 기록할 수 있다.

스탠포드 소재 이공계 대학원생인 압둘 말리크 오바이드는 "이 2차원 실리콘 전자장치를 가져다가 뇌의 3차원 구조와 일치시킨 사람은 아무도 없다"고 말했다. "기존 칩 제조에 대해 이미 알고 있는 것을 버리고 실리콘 전자장치를 3차원으로 끌어들이기 위해 새로운 공정을 설계해야 했다. 그리고 우리는 그것을 쉽게 확장할 수 있는 방법으로 해야만 했다."

3월 20일 사이언스 어드밴스지에 발표된 논문의 주제인 이 장치는 각각의 철사마다 가장 얇은 사람의 머리카락의 폭이 절반도 안 되는 마이크로 와이어를 포함하고 있다. 이러한 얇은 전선은 뇌에 부드럽게 삽입되어 외부로 직접 실리콘 칩에 연결되며, 신경 전기 활동을 영화로 만드는 것처럼 각각의 전선 옆을 지나가는 전기 뇌 신호를 기록하는 것이다. 현재 버전의 장치에는 수백 개의 마이크로와이어가 있지만 향후 버전에는 수천 개 이상이 포함될 수 있다.

이 논문의 공동저자인 닉 멜로시 스탠포드 소재 이공학과 교수는 "전기 활동은 뇌 활동을 보는 가장 고해상도 방법 중 하나"라고 말했다. "이 마이크로와이어 어레이로 우리는 단일 뉴런 레벨에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알 수 있다."

연구원들은 그들의 뇌-기계 인터페이스를 쥐로부터 격리된 망막 세포와 살아있는 쥐의 뇌에서 실험했다. 두 경우 모두 어레이의 수백 개 채널에 걸쳐 의미 있는 신호를 성공적으로 획득했다. 지속적인 연구는 이 장치가 뇌에 얼마나 오래 남아있을 수 있는지 그리고 이 신호들이 무엇을 드러낼 수 있는지를 더 결정하게 될 것이다. 이 팀은 특히 이 신호가 그들에게 학습에 대해 무엇을 말해 줄 수 있는지에 관심이 있다. 연구원들은 보철술, 특히 언어 보조의 응용에도 힘쓰고 있다.

기다린 보람이 있다

연구진은 목적을 달성하기 위해서는 오래 지속될 뿐만 아니라 뇌와 밀접한 관계를 형성하면서 최소한의 손상을 입힐 수 있는 뇌-기계 인터페이스를 만들어야 한다는 사실을 알고 있었다. 그들은 그러한 기술의 진보를 이용하기 위해 실리콘 기반 장치에 연결하는 데 초점을 맞췄다.

멜로쉬는 "실리콘 칩은 매우 강력하고 규모를 키울 수 있는 놀라운 능력을 가지고 있다"고 말했다. "우리 어레이는 그 기술과 아주 간단하게 결합한다. 실제로 칩을 가지고 노출된 보따리 끝에 눌러서 신호를 받으면 되는 겁니다."

연구원들이 직면한 주요 과제는 배열을 어떻게 구성해야 하는지를 알아내는 것이었다. 주요 부품이 수백 개의 작은 와이어에 튼튼하고 내구성이 있어야 했다. 해결책은 각 철사를 생물학적으로 안전한 폴리머로 싸서 금속칼라 안에 함께 묶는 것이었다. 이렇게 하면 와이어의 간격이 떨어져 있고 방향이 제대로 잡히는지 확인할 수 있다. 칼라 아래는 전선이 개별적으로 뇌로 향할 수 있도록 폴리머를 제거한다.

기존의 뇌-기계 인터페이스 장치는 100채널의 신호를 제공하는 100여 개의 선으로 제한되며, 각각은 손으로 어레이에 힘들게 배치되어야 한다. 연구진은 우차이 신경과학연구소(Wu Tsai Neuroscience Institute)의 대형 아이디어 보조금으로 수천 개의 채널을 갖춘 배열을 만들 수 있도록 설계 및 제작 기법을 개선하기 위해 수 년을 보냈다.

Abdulmalik Obaid (왼쪽)와 Nick Melosh와 마이크로 와이어 어레이. 이 마이크로 와이어 번들을 통해 연구원들은 뇌에서 수백 개의 뉴런의 활동을 실시간으로 볼 수 있습니다.

"이 장치의 설계는 기존의 고밀도 기록 장치와 완전히 다르며, 제작 중에 배열의 모양, 크기, 밀도를 간단히 변경할 수 있다. 이는 우리가 사실상 어떤 3D 배치로도 다른 깊이에서 다른 뇌 영역을 동시에 기록할 수 있다는 것을 의미한다." 라고 이 논문의 공동저자인 전딩 교수가 말했다. "만약 광범위하게 적용된다면, 이 기술은 건강과 질병 상태에서의 뇌 기능에 대한 우리의 이해를 크게 능가할 것이다."

이 야심찬 생각을 추구하며 몇 년을 보낸 후, 바로 그 과정이 끝나서야 그들은 살아있는 조직에서 시험할 수 있는 장치를 갖게 되었다.

논문의 수석 저자인 오바이드 박사는 "수 킬로미터의 마이크로와이어와 대형 어레이를 생산한 뒤 실리콘 칩에 직접 연결해야 했다"고 말했다. "수 년 동안 그 디자인을 연구한 끝에 처음으로 망막에서 실험을 했는데 바로 효과가 있었어. 지극히 안심이 되었다."

망막과 쥐에 대한 초기 실험에 이어 현재 연구진은 배열의 내구성과 대형 버전에 대한 성능을 확인하기 위해 장기간의 동물 연구를 진행하고 있다. 그들은 또한 그들의 장치가 어떤 종류의 데이터를 보고할 수 있는지 탐구하고 있다. 지금까지의 결과는 그들이 두뇌에서 일어나고 있는 학습과 실패를 지켜볼 수 있을 지도 모른다는 것을 보여준다. 연구원들은 언어와 시력을 회복하는 데 도움이 되는 기계 보철술과 장치와 같은 인간의 의료 기술을 향상시키기 위해 언젠가는 이 어레이를 사용할 수 있을 것이라고 낙관하고 있다.

[📪정보] 뇌를 실리콘 기반 기술에 직접 연결하기위한 새로운 장치 개발

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