[과학을 읽다]투명한 윈도로 뇌를 관찰한다

국내 연구팀, 깨끗하고 투명한 '소프트 윈도' 개발

▲동물 뇌에 장착된 소프트 두개골 윈도우.[사진제공=IBS]

[아시아경제 정종오 기자] 깨끗하고 투명한 '창(윈도)'을 통해 동물의 뇌를 관찰할 수 있는 길이 열렸습니다. 뇌 연구를 위해 살아있는 동물의 뇌 활동을 관찰하는 과정은 필수입니다.

포유류의 뇌는 두개골로 덮여있어 직접 관찰하기 힘듭니다. 외과 수술로 뇌를 덮고 있는 피부와 뼈를 제거해야 합니다. 수술로 만든 작은 구멍을 유지하고 뇌를 보호하기 위해 두개골 대용물을 사용합니다. 이를 '두개골 윈도'라고 부릅니다.

국내 연구팀이 기존과 다른 '소프트 윈도'를 개발해 관심을 모으고 있습니다. 유연한 PDMS(Polydimethylsiloxane, 폴리디메틸실록산)를 소재로 뇌혈류 자극기를 개발해 연구하던 중 PDMS의 투명성과 유연성, 생체 친화적 특징을 이용해 장기간 뇌의 안정적 상태를 유지하며 이미징할 수 있는 폐쇄형 소프트 두개골 윈도 수술에 성공했습니다.

연구팀이 자체 개발한 소프트 윈도는 장기간 깨끗하고 투명한 상태가 유지됩니다. 연구팀은 녹색 표지 형광 쥐를 이용해 생체 내 2광자 현미경 이미징으로 생쥐의 대뇌 피질 제 5층까지 도달되는 깊이인 600㎛ 정도까지 선명하게 이미징할 수 있음을 확인했습니다. 마취 상태가 아닌 각성 상태의 생쥐 뇌를 1시간 이상 혈류 이미징할 수 있었습니다.

기존에는 주로 커버 글라스(cover glass) 소재가 두개골 윈도 제작에 사용됐습니다. 단단한 재질 탓에 뇌에 직접 자극을 주거나 시술을 하는 것은 불가능하다는 한계가 있었습니다.

소프트 윈도는 약물을 직접 주입하거나 전극을 원하는 위치에 꽂아 신경 전기 신호를 측정할 수 있다는 것이 강점입니다. 동시에 여러 개의 피펫을 꽂아 다양한 뇌의 반응을 기록할 수도 있습니다.

피펫이나 전극을 제거하는 과정에서 뇌 척수액이 새어나오지 않아 여러 번의 삽입도 가능합니다. 소프트 윈도의 소재인 PDMS는 2 ~ 3시간 이내로 간단하게 실험실에서 제작할 수 있습니다. 다양한 크기로 실험 목적에 따른 맞춤형 사용이 가능하다는 이점이 있습니다.

소프트 두개골 윈도는 현재 국내 특허로 등록됐습니다. 미국 특허는 출원 중입니다. 이 연구는 광유전학 분야와 함께 뇌 기능에 대한 심층적인 연구를 가능케 하고 퇴행성 뇌질환과 난치성 뇌질환을 이해하는데 획기적 기회를 제공할 것으로 기대됩니다.

이번 연구는 기초과학연구원(원장 김두철) 뇌과학 이미징 연구단 김성기 단장과 서민아 연구위원, 허채정 연구원이 수행했습니다. 연구 결과는 국제 학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 6월10일자 온라인판(논문명:A soft, transparent, freely accessible cranial window for chronic imaging and electrophysiology)에 실렸습니다.