자기장으로 뇌 회로를 조절해 행동·감정의 비밀을 밝혔다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 언더우드 특훈교수) 및 곽민석, 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수) 연구팀은 인지 및 사회성 연구단(단장 이창준)과 협업하여, 자기장을 통해 특정 뇌 신경회로를 무선 및 원격으로 정밀 제어하는 나노-MIND(Magnetogenetic Interface for NeuroDynamics) 기술을 세계 최초로 개발했다.

인간의 뇌는 약 1,000억 개 이상의 뇌 신경세포(뉴런)와 여러 가지 뉴런으로 구성된 더 많은 수의 뇌 회로로 이루어져 있다. 이 중 특정 뇌 회로를 제어하는 것은 인지, 감정, 사회적 행동 등 고차원적 뇌 기능의 원리를 규명하거나 각종 뇌 질환의 원인을 알아내는 데 필수적이다. 이뿐만 아니라 일론 머스크가 이끄는 뉴럴링크(Neuralink)에서 보듯 생각만으로 외부기기를 제어하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)¹⁾ 발전에도 꼭 필요하다. 궁극적으로 BCI는 뇌와 컴퓨터 간 양방향 무선 통신을 실현해, 기기 제어뿐만 아니라 컴퓨터 정보를 습득해 뇌 능력을 향상하는 것이 목표이기 때문이다.

한편 자기장은 생체 투과율과 안전성이 뛰어나 MRI에서처럼 생체 신호를 읽어내 질병을 진단하는 중요한 수단이다. 하지만 자기장으로 특정 생체 신호를 조절하거나 뇌 회로를 정밀하게 제어하는 것은 과학계의 난제였다.

연구진은 자기장을 이용한 차세대 자기유전학(magnetogenetics)²⁾ 나노-MIND 기술로 특정 뇌 회로를 자유자재로 제어해 동물의 감정, 사회성, 동기부여 등 고차원적인 뇌 기능을 조절하는 데 성공했다. 이 기술은 자기장과 자성을 띠는 나노입자를 이용해서 원하는 뇌 회로를 선택적으로 활성화할 수 있다. 핵심은 원하는 뇌 회로에 나노-자기수용체(nano-magnetoreceptor)³⁾를 생성시키고, 원하는 시점에 회전자기장 자극을 줘 뇌 회로의 시공간적 제어가 가능하다는 점이다.

우선, 나노-MIND 기술로 모성애를 담당하는 전시각중추(medial preoptic area, MPOA)⁴⁾의 억제성 가바(GABA)⁵⁾ 뇌 회로를 선택적으로 활성화해 감정 및 사회성 조절이 가능함을 보여줬다. 모성애를 조절하는 뇌 회로가 활성화된 쥐는, 어미 쥐가 아님에도 불구하고 어린 쥐를 자신의 둥지로 데려오는 등 어린 쥐에 대한 돌봄 행동이 크게 촉진됐다.

또한, 음식 섭취는 외측 시상하부(lateral hypothalamus)⁶⁾의 동기부여 뇌 회로를 활성화해 조절할 수 있었다. 나노-MIND 기술로 동기부여 회로의 억제성 뉴런을 활성화한 쥐는 식욕과 섭식 행동이 100% 증가했다. 반대로 흥분성 뉴런을 활성화할 경우 쥐의 식욕과 섭식 행동이 절반 이하로 감소했다.

이번 연구는 나노-MIND 기술로 원하는 뇌 회로를 선택적으로 활성화해 고차원적 뇌 기능을 양방향으로 조절 가능함을 나타내며, 다양한 종류의 뇌 회로에도 적용 가능한 기술임을 보여준다.

천진우 단장은 나노-MIND 기술에 대해“자기장으로 특정 뇌 회로를 자유자재로 조절한 경우는 세계 최초로 뇌과학의 차세대 플랫폼 기술이 될 것”이라며, “뇌 회로의 기능 및 작동 원리 규명, 정교한 인공신경망 및 양방향 BCI 기술 개발, 뇌 신경질환의 새로운 치료법 개발 등 광범위하게 활용될 것으로 기대된다”고 평가했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 38.1)'에 7월 3일(한국시간) 게재됐다.

그림 설명

[그림1] 나노-MIND 기술 개요. 특정 뉴런 및 뇌 회로 선택적 제어에 의한 고차원적 뇌 기능 조절
나노-MIND 기술로 특정 뉴런과 뇌 회로를 선택적으로 제어해 동물의 감정, 사회성, 생존 욕구 등 고차원적 뇌 기능을 자유자재로 조절할 수 있다. 이를 통해 다양한 뇌 회로의 역할과 작동 원리를 알아내어, 뇌과학 연구에 필수적이고도 더 나은 인공신경망 구축을 통해 AI 기술 발전에 활용될 수 있다.

[그림2] 나노-MIND 기술을 통한 특정 뉴런 및 뇌 회로 활성화
위) 1. Cre-loxP 유전공학 기술이 적용된 쥐 모델에서 원하는 타겟 뉴런에만 선택적으로 나노-자기수용체 발현. 2. 회전자기장 자극을 주었을 때, 타겟 뉴런의 나노-자기수용체가 활성화됨. 3. 타겟 뉴런이 관여하는 뇌 회로가 선택적으로 활성화되고 제어됨.
아래) 외측 시상하부의 나노-자기수용체 발현 모습 및 타겟 뉴런 활성화 모습. 나노-자기수용체(초록색)는 타겟 뉴런(빨간색)에만 선택적으로 발현하고 자기장 신호에 의해 활성도가 증가함

[그림3] 나노-MIND를 활용한 사회성 및 감정 담당 뇌 회로 조절 실험
1. 전시각중추(MPOA)의 억제성 뉴런에만 생성된 나노-자기수용체는 자기장 신호에 의해 MPOA의 억제성 뇌 회로를 선택적으로 활성화함. 이를 통해 모성애 및 부모 행동을 담당하는 뇌 회로 조절이 가능함.
2. 자기장 자극이 가해지면 나노-자기수용체가 주입된 암컷 쥐는 어미 쥐가 아님에도 불구하고 모성애가 증가해 새끼 쥐를 찾아 자신의 둥지로 구조함. 그에 반해 대조군 암컷 쥐는 새끼 쥐에 대한 관심을 보이지 않음.
3. 나노-MIND 기술이 적용된 암컷 쥐에게서만 자기장 자극으로 모성애 담당 뇌 회로가 활성화돼 새끼 쥐를 모두 구조했으며 일반 쥐보다 돌봄 시간이 4배 이상 증가함.

[그림4] 나노-MIND를 활용한 동기부여 조절 뇌 회로의 양방향 조절
1. 외측 시상하부(lateral hypothalamus, LH)의 흥분성 또는 억제성 뉴런에 선택적으로 발현된 나노-자기수용체를 통해 자기장 자극을 주었을 때, 동기부여 및 식욕을 담당하는 뇌 회로의 양방향 조절이 가능함.
2. 나노-MIND로 LH의 억제성 뉴런이 선택적으로 활성화되면 쥐의 식욕과 섭식 행동이 2배 증가함. 반면, 나노-MIND로 LH의 흥분성 뉴런이 선택적으로 활성화되면 쥐의 식욕과 섭식 행동이 절반 이하로 감소함.

1) 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI): 뇌와 외부 장치 간의 직접적인 상호작용 방식. 인간의 두뇌와 컴퓨터를 직접 연결하여 뇌파를 통해 컴퓨터를 제어하는 인터페이스 기술을 총칭.

2) 자기유전학(magnetogenetics): 자기장에 의한 자기 액추에이터(magnetic actuator)의 기계적 자극으로 세포 수용체 또는 세포 내 신호를 활성화해 세포 기능에 영향을 미치는 의학 연구 기술을 총칭.

3) 나노-자기수용체(nano-magnetoreceptor): 자성 물질을 기반으로 하는 자성 나노입자 및 이와 결합해 힘(torque)으로 열리는 기계적 민감 이온 채널인 자기수용체의 합성어.

4) 전시각중추(medial preoptic area, MPOA): 간뇌와 종뇌의 증식 영역에서 파생된 뇌 부위. 성적(sexual) 행동 및 부모 돌봄(parental) 행동과 같은 선천적 기능을 조절.

5) 억제성 가바(GABA): Gamma-Aminobutyric acid의 약자. 비단백질 아미노산의 일종으로 뇌 신경세포 활성을 억제하는 억제성 신경전달물질.

6) 외측 시상하부(lateral hypothalamus): 생리적 평형을 유지하기 위한 식욕 및 에너지 항상성에 대한 반응을 포함해 생존과 관련된 다양한 생리 기능 조절의 핵심 영역.