생체 내 실시간 뇌 회로 해독을 위한 다중모달 신경화학 인터페이스 기술

- 뇌 회로의 화학 신호를 정밀하게 해독하는 실시간 인터페이스 기술의 통합 분석과 미래 기술 로드맵 제시

[연구필요성]

뇌 기능을 해석하기 위해서는 전기적 활동뿐 아니라 행동, 동기, 정서, 질환 상태를 조절하는 신경화학적 신호의 실시간 동역학을 정확하게 이해하는 것이 필수적이다. 그러나 기존 신경 인터페이스 기술은 대부분 전기 신호에 집중해 있어, 회로 수준에서 신경화학물질이 어떻게 작동하는지 파악하는 데 한계가 존재한다.

최근 전기화학·광학 기반 센서 기술이 발전하며 실시간 측정이 가능해졌지만, 각 기술은 분석 가능한 분자 범위, 침습성, 해상도, 적용 부위 등에서 차이가 커 기술 간의 단절과 표준화 부족이 여전히 문제로 남아 있다. 더불어 신경화학 신호는 뉴런뿐 아니라 교세포, 내피세포, 말초 장기까지 다양하게 관여하는 만큼, 서로 다른 플랫폼이 제공하는 정보를 통합적·다중스케일적으로 해석할 수 있는 플랫폼이 필요한 상황이다.

따라서 본 연구는 샘플링 기반 기법부터 실시간 센서, 전기·화학·광학을 통합한 하이브리드 시스템, 그리고 뇌 전역 접근이 가능한 차세대 인터페이스에 이르기까지 기술의 발전 경로를 종합적으로 정리하고자 하였다. 이를 통해 각 기술이 해결해 온 신경과학적 질문과 실제 적용 범위를 체계적으로 제시함으로써, 연구자들이 특정 회로·행동·질환 연구 목적에 적합한 인터페이스를 선택하고 활용할 수 있는 명확한 기준을 마련하는 데 목적이 있다.

[연구성과/기대효과]

이번 연구는 신경화학 인터페이스의 기술적 진화를 단순한 센서 종류가 아닌 뇌 회로 수준의 해석 능력과 신경과학적 기여도에 따라 재정리함으로써, 분야 전반의 이해도와 활용도를 높이는 통합적 관점을 제시하였다. 과거의 미세투석부터 실시간 전기화학 센서, 유전학 기반 광학 센서, 다중모달 하이브리드 플랫폼, 그리고 무선·원격·다중분자 감지가 가능한 차세대 시스템에 이르는 폭넓은 기술을 일관된 틀 안에서 비교함으로써, 연구자들이 분자 특성, 회로 구조, 행동 패러다임에 맞춘 최적의 분석 접근을 선택할 수 있도록 돕는다.

앞으로 이러한 인터페이스 기술은 파킨슨병·우울증·알츠하이머병 등 주요 뇌 질환의 신경화학적 변화를 정밀하게 추적하고, 약물 반응성 평가나 폐쇄루프 기반 맞춤형 신경자극 치료에 활용될 전망이다. 더 나아가 장–뇌 축이나 말초신경계 등 기존 기술로 접근이 어려웠던 영역에도 적용 범위를 확장함으로써, 신경화학 신호의 전신적 조절 메커니즘을 밝히는 핵심 기술 혁신에 기여할 것으로 기대된다.

[본문]

서울대학교 첨단융합학부 및 의과대학 소속 박성준 교수와 KAIST 바이오및뇌공학과 김예지 연구원은, 뇌 회로가 전기 신호뿐 아니라 다양한 신경전달물질·신경조절물질의 화학적 신호를 통해 어떻게 작동하는지를 실시간으로 규명하기 위한 차세대 신경화학 인터페이스 기술을 종합적으로 정리하고, 향후 뇌·질환 연구의 방향성을 제시하는 연구 성과를 발표하였다. 이번 연구는 뇌의 ‘화학적 언어’를 읽어내기 위한 도구들의 발전사를 체계적으로 정리하고, 각각의 기술이 어떤 신경과학적 질문을 해결해 왔는지를 제시했다는 점에서 큰 의의를 갖는다.
최근 신경과학은 단순한 전기신호 분석만으로는 보상, 동기, 스트레스, 정서와 같이 복합적·전신적 회로 상태를 충분히 설명하기 어렵다는 점을 인식하고 있다. 도파민, 세로토닌, 아세틸콜린 등 신경조절물질은 수백 밀리초 단위의 빠른 변화부터 장기적인 만성 변화까지 매우 다양한 시간·공간 스케일에서 회로의 이득 조절, 감정 상태, 의사결정, 학습을 관장한다. 그러나 기존 도구의 한계로 인해 이러한 화학적 신호를 직접적으로 측정하는 데에는 기술적·개념적 제약이 존재해 왔다.

연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해, 미세투석 기반 초기 샘플링 기술, 전기화학 기반 실시간 측정(FSCV 등), 유전학적 표적화가 가능한 광학 기반 센서, 그리고 전기·광학·화학을 통합한 하이브리드 플랫폼 등 신경화학 인터페이스의 전 발전 흐름을 폭넓게 분석하였다. 특히 도파민 반응을 실시간으로 측정하는 전기화학 기술, 세로토닌 동역학을 시각화하는 유전자 기반 광센서, 단일 삽입체에서 화학·전기·광학 신호를 동시에 수집하는 다중모달 센서 등은 회로 기반 행동 연구를 정량적으로 재정의한 기술로 다뤄졌다. 더불어 신경전달물질·신경조절물질 신호는 신경세포뿐 아니라 교세포, 내피세포, 미세혈관, 장–뇌 축까지 관여하기 때문에, 분자·전기·광학 신호의 다중 스케일 융합 분석이 필수적이라는 점도 언급했다.

한편 연구진은 뇌 조직을 손상시키지 않고 장기간 변화를 추적할 수 있는 비파괴적·실시간 분석 기술의 중요성도 강조했다. 기존의 고정·절편 기반 분석은 시간 정보가 소실되고 동일 조직을 반복 관찰할 수 없었으나, 실시간 측정이 가능한 전기화학 센서, 광센서, 근적외선(NIR) 기반 무선 인터페이스 등은 동물의 행동 중에도 뇌 깊은 구조에서 화학 신호를 안정적으로 관찰할 수 있는 가능성을 제시했다.

이번 연구는 신경화학 인터페이스 분야의 발전 방향이 단일 기술의 고도화뿐만 아니라, 전기·광학·화학 신호를 결합한 다중모달(multimodal) 통합에 있다는 점을 분명히 했다. 예를 들어, 화학 신호와 전기적 스파이크 데이터를 동시에 수집하거나, 광유전학적 자극과 화학 센싱을 결합해 인과적 회로 분석을 수행하는 방식은 기존 접근을 넘어선 새로운 차원의 회로 지도 구축을 가능하게 한다.

박성준 교수는 “뇌는 단순히 전기 신호만으로 작동하는 기관이 아니라 복잡한 화학 신호 흐름이 결합된 통합 시스템”이라고 말하며, “향후 신경화학 인터페이스 분야는 △다중분자 동시 측정, △뇌 전역 접근성이 높은 구조 설계, △무선·저침습 센서 개발, △질환 특이적 폐쇄루프 기반 치료 기술로 발전할 것”이라고 전망했다. 또한 “이러한 기술은 파킨슨병, 우울증, 알츠하이머병 등 주요 뇌 질환의 화학적 지표를 장기간 모니터링하여 개인 맞춤형 뇌 치료 플랫폼으로 확장될 잠재력이 있다”고 강조했다.

이번 연구 성과는 세계적 권위의 국제 학술지 Nature Reviews Neuroscience에 게재되었다(논문명: In vivo Multimodal Neurochemical Interfaces for Real-Time Decoding of Brain Circuit). 이번 연구는 한국연구재단(NRF)와 보스턴코리아사업의 지원을 받아 수행되었다.

[연구결과]

In vivo Multimodal Neurochemical Interfaces for Real-Time Decoding of Brain Circuit


Yeji Kim and Seongjun Park

(Nature Reviews Neuroscience, https://doi.org/10.1038/s41583-025-01003-3)

뇌 회로 연구에서 화학적 신호를 정밀하게 읽어내기 위한 기술의 중요성이 커지는 가운데, 본 논문은 차세대 신경화학 인터페이스가 제공할 수 있는 기능적 확장을 정리하였다. 연구진은 뇌 여러 영역을 동시에 측정하는 전뇌 다중 채널 확장성, 하나의 탐침으로 여러 신경전달물질·신경조절물질을 구분해 기록하는 다중분자 정밀 측정, 조직 깊숙한 부위까지 손상 없이 접근하는 심부 광학 탐지, 행동 중에도 활용 가능한 무선 기반 실시간 모니터링 등 기술적 혁신의 방향성을 강조하였다. 이러한 플랫폼의 등장은 기존의 단일·단편적 측정 방식에서 벗어나, 뇌 상태를 다중 스케일에서 연속적으로 해독하고 질환 메커니즘을 정밀하게 규명할 수 있는 가능성을 제시한다. 궁극적으로 이러한 통합적 접근은 차세대 폐쇄루프 신경치료 기술과 질환 특이적 뇌 상태 감지 시스템의 기반으로 확장될 것으로 기대된다.

[그림설명]

그림. 차세대 신경화학 실시간 모니터링 플랫폼의 핵심 기능 (전뇌 확장성·다중분자 정밀성·심부 광학 탐지·무선 모니터링)