고려대학교 의과대학 의과학과 조일주 교수 연구팀(제 1저자 채의규 박사, 교신저자 조일주 교수)이 여러 종류의 신경전달물질을 실시간으로 동시에 측정할 수 있는 브레인칩을 최초로 개발하는 데 성공했다.

신경전달물질은 우리 뇌가 동작하는 데에 중요한 역할을 하고 있어, 신경전달물질의 농도가 낮거나 높으면 뇌의 동작에 이상을 일으켜 다양한 뇌질환이 발생한다고 알려져 있다. 세로토닌 농도가 낮으면 우울증 증상이 나타나거나, 뇌의 특정 영역에서 도파민 농도가 높거나 낮으면 파킨슨병, 조현병 등이 발병한다는 것이다.

이러한 뇌질환을 치료하기 위해서는 신경전달 물질의 농도를 정상범위로 만들어주어야 하며, 따라서 신경전달물질은 뇌질환 치료제로도 사용된다. 다양한 뇌질환의 원인 규명 및 치료제 개발을 위해서는 뇌의 특정 영역에서 신경전달물질을 정밀하게 측정할 수 있어야 하지만, 기존에는 실시간으로 정밀하게 측정하기 어려웠고, 특히 다양한 신경전달물질을 동시에 측정할 수 없어 여러 신경전달 물질 간의 상관관계를 밝히는 연구가 불가능했다.

조일주 교수 연구팀이 이번에 개발한 브레인칩은 뇌의 특정 영역에 삽입되어 신경전달물질뿐만 아니라 동시에 뇌신호 측정도 가능하다. 브레인칩에는 마이크로 유체관이 형성되어 있어 뇌척수액을 추출하게 되고, 추출된 뇌척수액은 브레인칩에 집적된 센서 어레이로 이동하여, 여기에 포함된 다양한 신경전달물질을 실시간으로 측정할 수 있다. 제작된 브레인칩은 기존의 뇌척수액 추출용 탐침보다 약 8배 정도 작은 0.1mm 크기로 제작되어, 뇌에 삽입될 때 조직손상을 크게 줄일 수 있다. 

또한, 브레인 칩을 이용해 조현병과 관련된 뇌 영역인 전전두엽과 시상 영역 사이의 신경회로가 흥분성 글루탐산성 신경세포들을 통해 연결되어 있다는 것을 생쥐 실험을 통해 성공적으로 입증했다. 전전두엽을 자극할 때, 시상 영역에 있는 글루탐산의 농도 증가를 측정하였으며, 글루탐산성 신경세포들의 활성에 따른 신경신호 변화도 동시에 관찰할 수 있었다. 

연구책임자 조일주 교수는 “이번에 개발한 브레인 칩은 복잡한 다중 뇌 영역에서 뇌 신호와 다양한 신경화학물질을 실시간으로 측정하고 분석하는 최초의 시스템이다”며, “뇌 질환과 관련된 신경전달 물질을 규명하고, 치료제를 개발하는 과정에서 매우 유용한 도구가 될 것으로 기대된다”라고 소감을 밝혔다.

이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 인지및사회성 연구단 및 과학기술정보통신부·한국연구재단 뇌기능규명‧조절기술개발사업 등의 지원으로 수행되었으며, 세계적 국제학술지인 <Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) (IF=12.78)>에 ‘A neural probe for concurrent real-time measurement of multiple neurochemicals with electrophysiology in multi brain regions in vivo’라는 제목으로 게재됐다.