★ 2023년 5월 8일(월) 조간 (온라인 5.7.(일) 낮 12:00 이후) 보도해 주시기 바랍니다.

개방‧공유‧소통‧협력의 정부3.0, 국민과 함께 만들어 나가겠습니다.

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보도자료 청렴한 연구지원 신뢰받는 NRF
	<홍보기획팀> 팀장 이상혁, 연구원 김정호 ☎ 042-869-6119
<자료문의> 한국과학기술연구원 최낙원 박사(02-958-6988)
인공 뇌신경 네트워크, 입맛대로 조절한다 체외 환경에서 뇌신경 네트워크 내 국소적 신경 조절 구현 기술 개발

□ 인간의 뇌신경 네트워크를 체외 3차원 환경에 구축해 특정 구역의 신경을 입맛대로 조절하는 기술이 개발됐다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 한국과학기술연구원 최낙원, 김홍남, 성지혜, 남민호, 홍규상 박사 등과 고려대학교 공동 연구팀이 동국대학교 방석영 교수와 함께 개발한 플랫폼을 활용하여 체외 3차원 환경에서 뇌의 신경 회로망의 특성을 모사한 뇌신경 네트워크를 구축하고, 형성된 회로망의 특정한 부위의 신경을 조절해 신호 전달 과정을 모니터링할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

□ 뇌의 생리학적 및 병리학적 연구를 위해선 체외 환경에서의 모델 구축이 필수적이다.

○ 그러나 체외 모델 연구를 위해선 뇌신경 회로망의 특성을 모사해 3차원 환경에서 구축하는 것뿐만 아니라, 특정한 부위에 국소적으로 신경 조절을 할 수 있는 기술이 필요한데 현재까지의 기술력으로는 한계가 있었다.

□ 이에 공동 연구팀은 방향성을 가진 상태로 정렬이 되어 있는 뇌속 신경 회로망의 특성을 모사하기 위해 뇌 신경 조직 내 신경세포들이 일정한 방향으로 정렬된 상태에서 배양이 되도록 하는 방법을 고안함과 동시에 체외 3차원 환경에 형성된 조직에 다양한 생화학적 인자가 포함된 액체가 흐를 수 있는 미세한 크기의 통로(미세 유체 마이크로채널)들을 집적시키는 기술을 동시에 구현할 수 있는 3차원 뇌신경 조직 칩 제작 기술을 개발했다.

○ 미세 유체 마이크로채널을 통해 신경 신호를 자극 또는 억제할 수 있는 약물을 주입함으로써 국소적으로 특정 구역의 신경 조절이 가능하도록 했다.

○ 뇌신경 조직의 형성 및 국소 부위 자극 및 억제를 통해 네트워크상 신호 전달을 모니터링 할 수 있게 됐다.

□ 이번 연구 성과로 뇌신경 회로망의 정밀한 분석이 가능하게 됐으며, 향후 뇌의 생리학적 및 병리학적 연구가 크게 확대될 것으로 기대되고 있다.

□ 최낙원 박사는 “향후 모사의 범위를 확장해 뇌신경 조직을 형성한다면 뇌연구에 도움이 될 수 있는 시스템을 구축할 수 있을 것으로 예상된다”고 설명했다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 뇌과학원천기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스 (Science Advances)’에 3월 10일 온라인 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 한국과학기술연구원, 고려대학교 강현욱 학생연구원>

논문명	Integration of reconfigurable microchannels into aligned three-dimensional neural networks for spatially controllable neuromodulation
저널명	Science Advances
키워드	In vitro(체외배양), neural networks(신경 네트워크), tissue engineering (조직 공학), neuron(신경세포), alignment(정렬)5개 내외, 영문(국문)
DOI	https://doi.org//10.1126/sciadv.adf0925
저 자	최낙원 박사(공동 교신저자/한국과학기술연구원), 김홍남 박사(공동 교신저자/한국과학기술연구원), 정석 교수(교신저자/고려대학교), 정소현 박사(공동 제1저자/멥스젠) 강현욱 (공동 제1저자/고려대학교), 김소현 박사(공동 제1저자/SK바이오팜)

1. 연구의 필요성

○ 우리 체내에 여러 장기 및 조직은 세포와 세포 이외에 다양한 요소들이 방향성을 띈 상태로 정렬이 되어 있는데, 뇌속 신경 회로망들 또한 방향성을 지닌 채로 존재한다. 체외에서 이런 뇌의 신경 회로망의 특성을 모사한 후 신경 회로망에 대한 연구를 하려는 시도가 있었으나 형성된 신경 회로망의 특정한 부위에 국소적으로 신경 조절을 할 수 있는 기술이 존재하지 않아 뇌의 생리학적/병리학적 체외 모델 연구에 한계점이 존재하였다. 따라서, 이 문제를 해결하기 위해 방향성을 띈 뇌 신경 회로망에 국소 신경 조절을 할 수 있는 시스템이 집적된 체외 모델의 개발이 필요하였다.

2. 연구내용

○ 뇌신경 조직 내 신경세포들이 일정 한 방향으로 정렬된 상태로 배양이 되도록 유도할 수 있도록 콜라젠 미세섬유를 정렬하는 방법론을 개발하였다.

○  형성된 뇌신경 조직에 다양한 생화학적 인자가 포함된 액체가 흐를 수 있는 미세한 크기의 통로(미세유체 마이크로채널)들을 집적시키는 기술을 동시에 구현할 수 있는 삼차원 뇌신경 조직 칩 제작 기술을 개발하였다.

○ 더 나아가, 미세 유체 마이크로 채널에 다양한 종류의 약물을 흘려주어 형성된 뇌신경 조직의 국소 부위에 자극 및 억제를 통하여 뇌신경 네트워크의 신호 전달을 자유자재로 조절하며 이를 모니터링 할 수 있었다.

3. 연구성과/기대효과

○ 세계 최초로 개발된 국소 부위의 자극 및 억제가 가능한 방향성을 띈 뇌신경 조직 형성을 하여 신경 네트워크상 신호 전달을 모니터링 할 수 있는 이 기술을 통해 뇌신경 회로망의 정밀한 분석을 통하여 생리학적 병리학적 연구를 할 수 있는 가능성을 보여주었다.

그림 설명

(그림1) 개발된 플랫폼의 모식도 및 정렬된 신경 네트워크의 형성과 이를 국소 부위 자극을 통한 네트워크의 신경 전달 조절

플랫폼의 선압축, 복원 과정을 통해 정렬된 콜라젠 내에 신경세포가 존재하게 되고 이를 배양 한 후 신경 네트워크의 형성을 확인하였다. 또한 형성된 신경 네트워크에 집적된 마이크로채널을 통해 신경세포를 자극하는 약물을 국소 전달 하여 신경 네트워크의 신경 전달을 조절하였다.

그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술연구원, 고려대학교 강현욱 학생연구자

연구 이야기

<작성 : 한국과학기술연구원, 고려대학교 강현욱 학생연구원>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

뇌 속 신경 회로망들은 체내에서 방향성을 지닌 채로 존재하는데 체외에서 이런 뇌의 신경 회로망의 특성을 모사한 후 신경 회로망에 대한 연구를 하려는 시도가 있었으나 형성된 신경 회로망의 특정한 부위에 국소적으로 신경 조절을 할 수 있는 기술이 존재하지 않아 뇌의 생리학적/병리학적 체외 모델 연구에 한계점이 존재하였다. 이를 극복하기 위해 연구를 시작하게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

국소 부위의 자극 및 억제가 가능한 방향성을 띈 뇌신경 조직 형성을 하여 신경 네트워크상 신호 전달을 모니터링 할 수 있는 이 기술은 세계 최초로 개발되었다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

기존 체외 뇌 신경 조직 모사 디바이스를 대체하여 생리학적 병리학적 연구를 위한 기본 규격 디바이스로 활용될 수 있다. 실용화를 위해서는 비숙련자의 다양한 실험에도 재현성을 확보할 수 있는 것이 필요하다고 생각한다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

현재 방향성을 띈 뇌 신경 조직의 모사 정도를 확장하여 체내 특정 뇌 회로를 모사하는 형태의 진화된 디바이스를 제작한다면 더욱 더 정밀한 연구를 가능하게 할 것이기에 이를 가능하도록 하는 형태의 디바이스를 제작하는 연구를 진행하고 싶다.

연구자 소개

<최낙원, 공동 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 한국과학기술연구원

뇌과학연구소 뇌융합기술연구단

고려대학교 KU-KIST 융합대학원

○ 전 화 : 02-958-6742

2. 학력

○ 2010	미국 코넬대학교 박사 (화학공학)

○ 2008	미국 코넬대학교 석사 (화학공학)

○ 2004	서울대학교 학사 (화학생물공학)

3. 경력사항

○ 2017 ~ 현재	한국과학기술연구원 책임연구원

○ 2019 ~ 현재	고려대학교 KU-KIST 융합대학원 교수

○ 2012 ~ 2016	한국과학기술연구원 선임연구원

○ 2015 ~ 2017	한양대학교 의과대학 신경과학교실 학연교수

○ 2018	과학기술정보통신부 국가연구개발성과 장관 표창

○ 2010 ~ 2011	미국 노바티스 의과학연구소 (Novartis Institutes for Biomedical Research), MIT 박사후연구원

4. 전문분야 정보

○ 뇌신경공학 (체외 3D 세포 배양 플랫폼 및 뇌 신경 회로망 구축 연구)

○ 화학생물공학 (하이드로젤 기반 체외 진단 기술 연구)

5. 연구지원 정보

○ 2018 ~ 2022	과학기술정보통신부‧한국연구재단 뇌과학원천기술개발사업

○ 2020 ~ 현재	과학기술정보통신부‧한국연구재단 바이오의료기술개발사업 (차세대바이오)

<김홍남, 공동 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 한국과학기술연구원 뇌과학연구소

○ 전 화 : 02-958-5617

2. 학력

○ 서울대학교 기계항공공학부 학사

○ 서울대학교 기계항공공학부 석사

○ 서울대학교 기계항공공학부 박사

3. 경력사항

○ 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 박사후연구원

○ 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 연구원

○ 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 선임연구원

○ 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 책임연구원

4. 전문분야 정보

○ 인간 뇌를 모사한 브레인 칩의 개발과 이를 이용한 뇌질환 모델링

5. 연구지원 정보

<방석영, 공동 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 동국대학교 의생명공학과

○ 전 화 : 031-961-5149

2. 학력

○ 서울대학교 기계항공공학부 학사

○ 서울대학교 기계항공공학부 박사

3. 경력사항

○ University of Nebraska Medical Center (미국)  박사후연구원

○ 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 박사후연구원

○ 동국대학교 의생명공학과 조교수

4. 전문분야 정보

○ Organ-on-a-chip (장기칩), Brain-on-a-chip (두뇌칩), Tissue engineering (조직공학)

5. 연구지원 정보

<정석, 공동 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 고려대학교 기계공학부 교수

KU-KIST 융합대학원 및 KIST 뇌과학연구소 겸임

○ 전 화 : 02-3290-3352

2. 학력

○ 서울대학교 기계설계학과 학사 및 석사

○ 서울대학교 기계항공공학부 박사

○ Postdoctoral Associtate, Department of Biological Engineering, MIT

3. 경력사항

○ 전 고려대학교 산학협력단 부단장, 크림슨창업지원단 단장, 기술사업화센터 센터장

○ 전 고려대학교 공과대학 기획부학장

○ 전 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 부원장

4. 전문분야 정보

○ 미세유체기술 및 진단플랫폼 기술

○ 조직칩 및 오가노이드 등의 생체모사플랫폼 기술

5. 연구지원 정보