- 척수 손상 및 신경 손상 환자에게 한줄기 희망, 생물학적/의학적 난제의 공학적 해결 실마리
- 신축성 유기 인공 신경을 통한 신경이 마비된 쥐의 다리 움직임 재현
- 뉴로모픽 소자의 바이오 응용을 위한 새로운 가능성 발견
- 세계 최고 수준 국제학술지 '네이쳐 바이오메디컬 엔지니어링' 게재
▲ (좌측부터) 서울대 이태우 교수, 스탠포드 대학 제난 바오 교수, 서울대 이영준 박사, 스탠포드대학 유신 리우 박사, 서울대 서대교 박사과정
서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 재료공학부 이태우 교수와 스탠포드대학교 제난 바오 교수 국제 공동 연구팀이 신경을 모방하는 뉴로모픽 유기 인공 신경을 통해 척수 손상으로 신경이 마비된 쥐 모델의 근육 운동을 회복하는데 성공하였다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 세계적인 국제학술지 '네이쳐 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering) '에 08월 16일자로 게재됐다.
신경은 생명 활동에 필수적일 뿐 아니라 삶의 질에도 큰 영향을 미치는데 물리적 충격, 유전적 원인, 2차 합병증, 노화 등의 원인으로 쉽게 손상된다.
한번 손상된 신경은 재건이 어려우며, 생체 신호를 제대로 전달하지 못해 신체 기능의 일부 또는 전부를 영구적으로 상실하게 된다.
인류 탄생과 함께 겪어온 신경 손상이라는 의학적 난제는 눈부신 의학과 생물학의 발전에도 불구하고 여전히 과학 난제로 남아 있고 앞으로도 큰 실마리가 보이지 않았던 상황이었다.
손상된 신경을 치료하기 위해서 외과적 수술과 약물치료 등 다양한 시도가 진행되었으나, 한번 손상이 되거나 퇴화된 신경의 기능은 다시 회복하는 것은 거의 불가능에 가까운 난제로 남아있다.
현재, 신경 손상 환자의 재활을 위해 시도되고 있는 방법이 전혀 없는 것은 아니나, 다양한 접근법 중에서 임상에서 활발히 활용되고 있는 기능적 전기자극 치료(Functional Electrical Stimulation; FES)는 컴퓨터 등을 통해 제어되는 신호를 이용한다.이를 통해, 신경마비환자의 더 이상 수의적으로 조절할 수 없게 된 근육에 전기자극을 가하여 근육수축을 유발함으로써 기능적으로 유용한 동작을 제한된 공간 및 모니터링 환경에서 만들어내고 있다.
하지만, 근육을 자극하기 위한 신호 처리를 위해 복잡한 디지털 회로 및 컴퓨터를 수반하며, 그 과정에서 많은 에너지를 소모하고 생체적합성이 떨어지기 때문에 환자가 일상 생활에서 오랜 시간 사용하기에 부적합한 한계가 있었다.
공동 연구팀은 생체 신경섬유의 구조와 기능을 모사하는 신축성 저전력 유기 나노선 인공 신경을 이용해, 복잡하고 부피가 큰 외부 컴퓨터 없이 인공 신경만으로 쥐의 다리 움직임을 조절하는데 성공하였다.
신축성 인공 신경은 근육의 움직임을 감지하는 고유수용기를 모사한 인장 센서, 생체 시냅스를 모사하는 유기 인공 시냅스, 다리 근육에 신호를 전달하기 위한 하이드로젤 전극으로 구성된다.
공동 연구팀은 생체 신경과 유사한 원리로 인공 시냅스에 전달되는 활동 전위의 발화 주파수에 따라 쥐 다리의 움직임과 근육의 수축 힘을 조절하였고, 생체 신경의 가소성을 모사하는 인공 시냅스는 무겁고 전력소모가 많은 컴퓨터 등 외부 시스템 없이 일반적인 FES 보다 더 부드럽고 자연스러운 다리의 움직임을 구현하였다.
또한, 인공 고유수용기는 제어를 위한 외부컴퓨터 없이도 쥐의 다리 움직임을 감지하여 인공 시냅스에 실시간으로 피드백을 주어서 다리의 과도한 움직임으로 인해 근육이 손상되는 것을 방지하였다.
이어서, 신경이 마비된 쥐가 공을 차거나 런닝머신 위에서 걷고 뛰는 움직임을 구현하였고, 움직이는 동물의 운동 피질에서 사전 기록된 신호를 샘플링하여 인공 시냅스를 통해 쥐의 다리를 움직임으로써 자발적인 움직임을 보이기 위한 인공 신경의 응용 가능성을 보여줬다.
서울대 이태우 교수는 "신경 손상은 눈부신 의학 기술의 발전에도 불구하고 과거부터 현재까지 여전히 난제로 여겨지고 있으며, 새로운 돌파구가 없다면 미래에도 난제로 남을 것이다. 생물학적 의학적 방식이 아니라 공학적 방식으로 신경 손상 극복을 위한 새로운 돌파구를 열 수 있는 실마리를 제공하였다"고 연구의 의의를 밝혔다. 또한 "신경 손상 극복을 위한 공학적 접근 방식은 관련 질병 및 장애로 고통받고 있는 사람들에게 삶의 질을 향상시켜 줄 수 있는 새로운 길을 열 수 있을 것"이라고 덧붙였다.
해당 논문의 제1저자인 이영준 박사는 "생체 신경망의 거동을 모사하여 차세대 컴퓨팅 소자로 주목 받고 있는 뉴로모픽(Neuromorphic) 분야의 새로운 가능성을 발견하였다"며 해당 연구의 잠재력에 주목하였다. 이를 통해 "뉴로모픽(Neuromorphic) 분야가 컴퓨팅에 그치지 않고 의공학과 생명공학 등 다양한 분야에 사용될 수 있을 것"이라고 기대감을 나타냈다.
한편, 해당 연구는 연구팀에서 구현하고자 오래전부터 계획해왔으며, 2017년부터 주로 서울대 교내 창의 선도 과제의 도움을 받아왔다.
이를 통해 국가 과학 난제 프로젝트에 그 아이디어가 두 번(2020년, 2021년)이나 채택되어 도전하였고 2021년 "손상된 신경의 회복은 가능한가?"라는 유튜브 동영상은 1년간 가장 높은 조회수를 보이고 있다.
이 연구는 서울대의 지속적인 지원으로 꾸준히 진행된 끝에 성공적으로 이어졌다. 특히 스탠포드 대학 제난바오 교수와는 2018년도에 세계구원지인 Science지에 공동협력논문을 게재하였고 지속적인 협력관계를 유지하고 있다.
연구팀은 향후 쥐와 같은 설치류 뿐만 아니라 사람에 대한 임상 적용을 위해 지속적으로 해당 연구를 진행하고자 하는 의지를 보였다.
이를 통해, 척수손상, 말초신경 손상, 루게릭, 파킨슨, 헌팅턴 병과 같은 신경 손상에 대한 그동안 없던 새로운 해결책 및 전략의 제시가 가능할 것으로 기대된다.
[연구결과]
A low-power stretchable neuromorphic nerve with proprioceptive feedback
Yeongjun Lee+, Yuxin Liu+, Dae-Gyo Seo+, Jin Young Oh, Yeongin Kim, Jinxing Li, Jiheong Kang, Jaemin Kim, Jaewan Mun, Amir M. Foudeh, Zhenan Bao*, Tae-Woo Lee*
(Nature Biomedical Engineering, 2022. 08. 16. 출판)
- ■신경은 체내의 정보를 전달해주는 역할을 수행하여 생명활동에 필수적이다. 이러한 신경이 손상될 경우 두뇌와 몸의 신경 신호가 제대로 전달되지 않아 신체의 기능을 영구적으로 일부 또는 전부를 상실하게 되어 기본적인 일상생활조차 어려워져 삶의 질이 매우 낮아질 수 있으며, 심각하게는 생명이 위협받을 수도 있다.
- ■신경 손상을 치료하기 위해, 외과적 수술과 약물치료 등 많은 시도가 진행되고 있으나, 한번 손상이 되었거나 퇴화가 된 신경은 다시 기능적으로 회복되기 어렵다. 따라서 눈부신 과학/의학 기술의 발전에도 불구하고 과거부터 현재까지 여전히 난제로 여겨지고 있으며, 새로운 돌파구가 없다면 미래에도 난제로 남아있을 것이다.
- ■본 연구에서는 기존의 접근법과는 다른 인공 신경이라는 새로운 공학적 접근법을 통해 신경 손상 극복에 대한 전략을 제시하였다.
- ■이 연구에서는 신축성 인공신경을 통해 신경이 마비된 쥐 다리 근육에 전기신호를 주어 다리의 움직임을 구현하였다. 이때 사용된 인공신경은 생체 신경의 활동을 모사하여 디지털 컴퓨터를 통한 복잡한 계산 과정 없이 생체 신경 신호를 모사한 신호를 쥐 다리 근육에 전달해 줄 수 있다.
- ■신축성 인공 신경은 근육의 움직임을 감지하는 고유수용기를 모사한 인장 센서, 생체 시냅스를 모사하는 유기 인공 시냅스, 다리 근육에 신호를 전달하기 위한 하이드로젤 전극으로 구성되었다. 이를 통해 연구팀은 복잡하고 부피가 큰 외부 컴퓨터 없이 인공 신경 만으로 쥐의 다리 움직임을 조절하는데 성공하였다.
- ■이는 기존의 임상적으로 활발히 활용되고 있는 기능적 전기자극 치료 (Functional Electrical Stimulation; FES) 보다 더 부드럽고 자연스러운 다리의 움직임을 구현한 것이다.
- ■더 나아가 연구진은, 근육의 손상을 막기 위해 쥐 다리의 움직임을 감지하여 실시간으로 피드백을 주어 다리 근육의 과도한 움직임을 제한할 수 있었다.
- ■이를 통해 쥐가 공을 차거나 러닝머신 위를 걷고 뛰는 등의 움직임을 구현하였으며, 사전에 동물의 운동 피질에서 기록된 신호를 샘플링하여 인공 신경을 통해 쥐의 다리를 움직였다.
- ■본 연구팀의 연구결과는 신축성 인공신경의 신경 보철로서의 응용 가능성을 보여주었다는 것에 큰 의의가 있다.
- ■본 연구는 기존의 해결하지 못했던 신경 손상의 극복에 대한 그동안 없던 새로운 전략을 제시하여 주었으며, 새로운 연구의 장을 열어주었을 뿐 아니라, 손상된 신경의 완전한 기능적 회복을 위한 가이드라인을 제시해 줄 수 있다.
- ■공학을 넘어 뇌과학과 임상에 이르기까지 다학제간 공동연구의 새로운 패러다임을 제시하여 더욱 다양한 연구 및 원천 기술 개발의 핵심 통찰력을 제공할 것으로 기대해 볼 수 있다.
[용어설명]
- ○네이처 (Nature) 자매지로 의공학 및 생물의학 분야에 걸쳐 논문이 출판된다. 2022년 기준 JCR Impact Factor가 29.234 이다.
- ○생물체의 신경을 모사하여 만든 유기물 전자 소자이다. 생체 신경의 신호 전달 원리 및 신경 가소성을 모사하여 손상된 신경 대신 신경 신호를 전달한다. 이태우 교수가 Science, 360, 998–1003 (2018)지에 유기인공신경으로 죽은 바퀴 벌레 다리를 움직임으로서 첫 개념을 발표하였다.
- ○유기물 반도체를 이용한 전자 소자를 말한다. 플라스틱은 유기물의 한 종류이다. 유기물은 전통적으로 전기를 통하지 않는 절연체였으나 근래 연구를 통해 반도체적 특성을 지니는 유기물을 많이 발견하였다. 유기물 반도체는 화학적으로 특성을 조절하기 용이하고, 용액 공정을 이용해 인쇄가 가능하여 대면적 시스템을 저가에 만들 수 있고, 유연한 특성 덕분에 생물체처럼 부드럽게 만들 수 있다.
- ○늘어나는 특성을 말한다.
- ○사고나 질병에 의해서 손상된 신경을 대신해서 두뇌 혹은 생체 신경과 다른 신체 부위를 연결해 주는 장치. 예로서, 인공 와우, 인공 망막, 전자 의수 등이 있다.
- ○신체 내부의 감각으로서 사지의 위치, 방향, 운동, 속도 등을 감지하는 감각을 말한다.
- ○하드웨어적으로 신경세포와 신경망을 모방하여 뇌의 기능을 모사하려는 공학의 한 분야이다. 즉, 생물의 신경계(척수, 뇌 등)의 구조 및 기능을 모방한 소자를 일컫는다. 이태우 교수 연구실에서의 ‘인공 신경’은 말초신경까지도 모사하는 뉴로모픽 소자를 개발하였다.
[참고자료]
1. 그림설명
▲ 그림1. 척수 혹은 운동 신경이 손상된 쥐 (왼쪽), 신축성 인공 신경을 통해 신경이 손상된 쥐의 운동 기능 회복 (오른쪽)
| 기존 연구 | 본 연구의 기대 성과 | |
|---|---|---|
| 개념도 |
 |
 |
| 신경 신호 처리 경로 | 노/척수 → 생체 신호 → 외부 컴퓨터를 통한 별도의 처리 과정 → 컴퓨터를 통해 계산된 신호 → 노/척수 | 노/척수 → 인공 신경 → 뇌/척수 |
| 차별성 |
- 신경 신호 처리를 위한 별도의 외부 컴퓨터 혹은 복잡한 CMOS 회로를 통한 계산 과정이 필요함 - 항상 컴퓨터를 수반해야 함 - 높은 에너지 소비율 및 발열 - 장기간 환자가 지니고 생활을 이어가기 부적합 |
- 별도의 계산 과정 없이 생체 신경 가소성 모사형 인공 신경을 통한 신경 신호의 처리 가능 - 컴퓨터가 필요 없음 - pJ (10-12) 혹은 fJ (10-15)의 생체 수준의 낮은 에너지 소비율 - 체내 혹은 체외 부착형으로 개발이 가능해 장기간 환자가 불편함 없이 지니고 생활을 이어가기 적합 |
2. 참고 동영상
- 2020년도 한국 과학난제도전 온라인 컨퍼런스: https://www.youtube.com/watch?v=M5tY6PmWMBU
- 2021년도 한국 과학난제도전 온라인 컨퍼런스: https://www.youtube.com/watch?v=76fltueSor0
3. 논문명 및 저자
- 논문명: A low-power stretchable neuromorphic nerve with proprioceptive feedback
- 저자: 이태우 교수(교신저자, 서울대), 제난 바오 교수(교신저자, 스탠포드 대학), 이영준 박사(공동제1저자, 서울대, 스탠포드 대학), 유신 리우 박사(공동제1저자, 스탠포드 대학), 서대교(공동제1저자, 서울대), 오진영 박사(스탠포드 대학), 김영인 박사(스탠포드 대학), 진싱 리 박사(스탠포드 대학), 강지형 박사(스탠포드 대학), 김재민 박사(스탠포드 대학), 문재완 박사(스탠포드 대학), 아미르 M. 푸데 박사(스탠포드 대학)
[문의사항]
서울대학교 공과대학 재료공학부 이태우 교수 / 02-880-8021 / twlees@snu.ac.kr