사물인터넷 기반 다수의 뇌 신경회로 동시 원격제어 시스템 개발
국내 연구진이 인터넷을 이용해 뇌 신경회로를 원격 제어할 수 있는 무선 네트워크 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면 시간과 장소에 구애받지 않고 목표 동물의 뇌 신경회로를 정교하게 제어할 수 있다.
KAIST는 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀이 미국 워싱턴 대학교(Washington University in St. Louis), 미국 콜로라도 대학교(University of Colorado Boulder) 연구팀과의 공동 연구를 통해 사물인터넷 기반의 뇌 신경회로 원격제어 시스템을 개발했다고 8일 밝혔다.
이번 개발 기술은 많은 시간과 인력이 있어야 하는 뇌 연구 및 다양한 신경과학 연구를 자동화시켜 다양한 퇴행성 뇌 질환과 정신질환의 발병 기전 규명과 치료법 개발의 가속화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 또한, 먼 거리에 있는 환자의 질환을 원격으로 치료하는 원격 의료 구현에도 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
KAIST 전기및전자공학부 라자 콰지(Raza Qazi) 연구원과 김충연 박사과정, 그리고 워싱턴대 카일 파커(Kyle E. Parker) 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)' 11월 25일 字에 게재됐다. (논문명 : Scalable and modular wireless-network infrastructure for large-scale behavioural neuroscience, https://www.nature.com/articles/s41551-021-00814-w)
전 세계적으로 고령화 시대에 접어드는 현 상황에서 알츠하이머병, 파킨슨병과 같은 뇌 질환들로 고통받는 환자 수가 급증하고 있다. 이에 따라 근본적인 뇌 질환 치료법을 개발하기 위해 뇌 기능 및 뇌 질환 발병기전을 규명하기 위한 뇌 연구가 매우 시급하지만, 뇌 연구의 진행 속도가 뇌 질환 환자의 증가 속도를 따라잡지 못하고 있어서 뇌 연구의 효율성을 극대화하기 위한 새로운 기술 개발이 절실히 요구된다.
기존 뇌 연구에 사용되던 대부분의 신경과학 장치들은 외부 장비와 선으로 연결된 유선 방식으로 구동됐지만, 이러한 방식은 피실험 동물들을 물리적으로 제약할 뿐 아니라 실험 진행자의 직접적인 개입이 불가피해 피실험 동물의 행동에 영향을 주는 `관찰자 효과'를 발생시켜서 정확한 뇌 연구 결과 도출을 어렵게 만든다. 아울러 모든 과정에서 실험자의 직접적인 조작이 요구돼 연구에 많은 시간과 인력, 비용이 발생하게 한다.
연구팀은 사물인터넷(Internet of Things; IoT) 기술을 접목해 다양한 다수의 뇌 이식용 기기들을 인터넷 원격으로 동시 제어하거나 예약된 스케줄에 따라 기기들이 자동으로 구동되도록 하는 무선 네트워크 시스템을 개발했다. 이를 통해 시간과 장소에 상관없이 목표 동물들의 특정 뇌 회로를 원격 제어하는 것을 가능하게 했다. 이 시스템은 사용자가 인터넷 웹사이트 기반의 무선 네트워크 플랫폼을 통해 뇌 이식용 장치의 원격제어, 자동화된 데이터 수집, 뇌 회로 제어 스케줄링 등의 다양한 기능을 손쉽게 구현할 수 있도록 설계됐다.
연구팀은 이 시스템의 뇌 신경회로 자동 원격제어 기능을 사용해 자체 제작한 무선 장치(뉴럴 임플란트)가 이식된 수십 마리의 쥐의 뇌 신경회로를 광유전학적 방법으로 사람의 개입 없이 정교하게 원격 자동 제어함으로써, 완전 자동화된 뇌 연구 실험에 적용 가능함을 입증했다. 이 실험을 통해 쥐의 먹이 섭취량, 활동량, 그리고 다른 쥐들과의 사회적 상호작용 빈도를 성공적으로 조절함으로써, 예약이 설정된 대로 다수 동물의 뇌 신경회로를 동시에 독립적으로 원격 제어할 수 있음을 보였다.
정 교수는 "개발된 원격제어 기술은 동물을 활용한 뇌 연구에 필요한 인간개입을 최소화함으로써 뇌 연구의 효율을 높이고 실험의 불확실성을 크게 줄일 수 있을 것ˮ이라며 "이 기술은 뇌 연구를 넘어, 많은 동물 실험을 필요로 하는 신약 개발, 병원 방문 없이 뇌 질환 및 다양한 질병을 치료하기 위한 원격 의료 구현에도 적용될 수 있을 것이다ˮ라고 말했다.
연구팀은 이 기술이 더욱 광범위하게 뇌 과학 연구 및 치료에 사용될 수 있게 하도록, 인공지능 기반의 실시간 뇌파 원격 모니터링 기술을 개발해 본 시스템과 접목하기 위한 연구를 계획하고 있다.
한편 이번 연구는 KAIST 글로벌 특이점 연구사업, 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 바이오의료기술개발사업, 미국 국립보건원의 지원을 받아 수행됐다.
□ 연구개요
1. 연구 내용
전 세계적으로 고령화 시대에 접어드는 현 상황에서 알츠하이머병, 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌 질환으로 고통받는 환자 수 또한 고령인구 수에 비례하여 급증하고 있다. 이에 따라 근본적인 뇌 질환 치료법을 개발하기 위해 뇌 기능 및 뇌 질환 발병기전을 규명하기 위한 뇌 연구가 매우 시급하지만, 뇌 연구의 진행 속도가 뇌 질환 환자의 증가 속도를 따라잡지 못하고 있어서 뇌 연구의 효율성을 극대화하기 위한 새로운 시스템이 절실히 요구된다.
기존에 뇌 연구에 사용되던 신경과학 툴들은 외부 장비와 선으로 연결된 방식으로 구동되었지만, 이러한 유선 방식은 피실험 동물들을 물리적으로 제약할 뿐 아니라, 실험 진행자의 직접적인 개입이 불가피하여 피실험 동물의 행동에 영향을 주는‘관찰자 효과’를 발생시킨다. 이에 따라 동물의 작은 행동 변화도 중요한 동물 행동 실험 결과에 영향을 끼치고, 정확한 실험 결과 도출을 어렵게 만든다. 이러한 유선 방식의 문제점들을 극복한무선 뉴럴 임플랜트들은 적외선, 고주파, 초고주파, 블루투스 신호 등을 통해 무선으로 제어 가능하도록 설계되었으나, 동시/선택적 제어가 제한적이거나 수십 개 이상의 임플랜트들을 동시 제어하는데 어려움이 있다는 한계가 있다. 무엇보다도 무선 제어 방식 또한 실험자가 피실험 동물로부터 일정 거리 이내에 위치한 상태로 실험 과정 내내 공간을 지키고 있어야 한다는 문제점이 여전히 존재한다.
본 연구에서는 뇌 이식용 기기를 원격/자동제어하기 위해 사물인터넷 기술을 접목시켰고, 사용자가 쉽게 사용 가능하고 동물실험 세팅에 맞게 커스터마이징 가능한 무선 네트워크 시스템을 디자인하였다. 전반적인 시스템은 컨트롤 센터 역할을 하는 미니 컴퓨터(~$45)와 무선 뇌 이식용 디바이스로 구성되어 있고, 관리자로부터 접근허가 승인을 받은 사용자만이 인터넷 웹사이트에 로그인하여 무선 네트워크 플랫폼에 접속하여 뇌 이식용 디바이스를 제어할 수 있도록 구현하였다.
실험 진행자는 인터넷 웹사이트를 통해 기기 원격제어, 데이터 수집, 실험 스케줄링, 로그 확인 등의 다양한 기능을 손쉽게 사용할 수 있으며, 이 시스템은 높은 호환성을 제공하여 최신 무선 뉴럴 임플랜트 외에도 기존의 유선 신경과학 툴들에도 적용이 용이하다. 이 기능들을 통해 다양한 종류의 신경과학 툴들을 실시간으로 원격제어하거나 예약된 스케줄에 따라 툴들이 자동으로 구동되도록 만듦으로써, 시간과 장소에 상관없이 동물을 활용한 뇌 연구 실험을 자유롭게 수행할 수 있다. 이외에도 기존의 다른 시스템들과는 달리, 이 시스템을 사용하여 수십~수백 개의 뇌 이식 장치를 안정적으로 동시/선택적으로 제어할 수 있어서 뇌 연구의 효율을 높이기 위한 집단 동물실험에 사용되기에도 매우 용이하다.
연구팀은 이 시스템의 뇌 신경회로 자동 원격제어 기능을 사용하여 자체 제작한 무선 뉴럴 임플랜트가 이식된 수십 마리의 쥐의 뇌 신경회로를 광유전학적 방법으로 사람의 개입없이 정교하게 원격 자동 제어함으로써, 완전 자동화된 뇌 연구 실험에 적용 가능함을 입증하였다. 이 실험을 통해 쥐의 먹이 섭취량, 활동량, 그리고 다른 쥐들과의 사회적 상호작용 빈도를 성공적으로 조절함으로써, 예약 설정된대로 다수 동물의 뇌 신경회로를 동시에 독립적으로 원격 제어할 수 있음을 보여주었다.
본 연구진이 개발한 사물인터넷 기반 뇌 신경회로 원격제어 시스템은 ‘관찰자 효과’가 없는 완전히 자연스러운 환경에서의 자동화된 집단 동물 실험을 가능하게 만들기 때문에 뇌 연구의 효율성 뿐 아니라 정확성을 크게 증가시킬 수 있다. 이러한 특징은 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌질환 뿐 아니라 중독과 같은 정신질환의 발병기전 규명과 치료법 개발에 크게 기여할 것으로 기대되며, 치료에 사용 시 원격 의료를 구현 가능하게 함으로써 의료진의 인력 및 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것이다.
그림 1. 사물인터넷 기반 뇌 신경회로 원격제어 시스템의 개념도. (상) 시간과 장소에 상관없이 인터넷 웹사이트를 통한 원격 동물 뇌 제어 지원. (중) 실시간 동시 제어 및 스케줄링 기능을 이용하여 대규모 동물실험 수행. (하) 양방향 통신을 통한 데이터 수집 (좌) 및 다수 동물 뇌의 동시/선택적 제어 구현 (우)
그림 2. 무선 네트워크 플랫폼의 개념도. (좌) 인터넷을 통해 전세계 다양한 연구실 공간에 있는 다수 신경과학 장치들을 원격제어하기 위한 무선 네트워크 플랫폼의 제어 도식도. (우) 인터넷 원격 제어 개념도: 사용자가 컴퓨터나 모바일 장치(태블릿, 스마트폰 등)를 통해 인터넷 웹사이트에 접속하여 명령을 웹서버에 전달. 명령을 전달받은 연구실 내부의 미니 컴퓨터가 블루투스 네트워크를 통해 주변의 신경과학 장치들과 양뱡향으로 통신.
그림 3. 인터넷 원격 스케줄링 기능을 이용한 완전 자동화된 뇌 신경회로 제어를 통한 대규모 고효율 동물 행동 실험. (좌) 무선 뉴럴 임플랜트가 이식된 수십 마리의 쥐를 이용한 집단 행동 실험의 개념도. (중) 먹이 섭취 제어 실험(food intake study) 결과, 빛 자극을 통해 쥐의 먹이 섭취량 증가. (우) 활동 제어 실험(locomotion experiment) 결과, 빛 자극을 통해 쥐의 활동량 증가.
의학약학 KAIST (2021-12-08)