반투명 3D프린팅 두개골 임플란트, 뇌의 미스터리를 푼다.

 

두개골의 절반이 반투명 3D프린팅 임플란트로 대체된 생쥐는 공상과학 영화에서 튀어나온 것처럼 보였다. 하지만 그들은 코를 킁킁거리며 사납게 음식을 먹고 평소처럼 몸단장을 했다. 그러는 동안 뇌 절반에 퍼져 있는 센서가 전기적 대화를 녹음했다.

 

뇌 임플란트는 신경과학에 혁명을 일으켰다. 우리의 지각, 생각, 감정, 기억은 모두 뉴런 네트워크를 통해 퍼지는 전기 신호에 의존한다. 임플란트는 이러한 신호를 활용하고 종종 AI의 도움을 받아 무작위로 보이는 전기적 활동을 빠르게 판독하여 의도나 움직임을 파악할 수 있다.

 

이른바 '마음읽기' 장치는 말과 관련된 뇌 신호를 텍스트로 변환해 말 능력을 잃은 사람들이 사랑하는 사람과 마음으로 직접 소통할 수 있게 해준다. 다른 사람들은 뇌의 운동 영역이나 척수의 신경을 활용하여 심한 마비가 있는 사람들이 다시 걸을 수 있도록 돕는다. 신경 신호는 단독으로 또는 눈 움직임과 결합되어 컴퓨터 화면의 커서를 제어할 수도 있으며 마비된 사람들에게 문자 메시지, 인터넷 검색, 소셜 미디어 스크롤을 위한 디지털 세계를 다시 열어준다.

 

이러한 장치는 삶을 더 나은 방향으로 변화시키기 시작했다. 그러나 모두는 하나의 중요한 질문에 대한 답에 의존한다. 뇌는 이러한 기능을 어떻게 지원할까? 지금까지 각 임플란트는 시각이나 움직임을 제어하는 ​​특정 기능의 기반이 되는 작은 뇌 영역에 초점을 맞춰왔다.

 

그러나 뇌의 기능 중 상당수는 여러 영역에 퍼져 전기 활동을 동기화하는 신호 또는 뇌파에 의존한다. 파동의 높이와 빈도(어떤 것은 빠르고 낮게 오고 어떤 것들은 느리고 높게 옴)에 따라 뇌의 전반적인 기능이 달라진다.

 

과학자들은 이러한 파동을 측정할 수 있지만 해상도가 낮은 카메라처럼 파동이 어떻게 생성되고 전파되고 결국 소멸되는지 설명할 수 없다.

새로운 연구에서는 위에 설명된 맞춤형 투명 임플란트가 쥐의 두개골을 대체하여 문자 그대로 답을 찾기 위해 뇌를 엿볼 수 있는 방법을 제공한다.

 

 

뇌 프로브의 진화

신경 임플란트는 1980년대부터 사용되었다. 아이디어는 간단하다. 뇌는 정보를 처리하기 위해 전기적, 화학적 신호를 사용한다. 전극은 전기 통신을 활용할 수 있다. 그런 다음 정교한 소프트웨어가 신경 코드를 해독하여 코드가 고장났을 때 이를 다시 프로그래밍하고 신경학적 증상을 해결할 수 있게 해준다.

 

이를 작동시키는 몇 가지 방법이 있다. 하나는 개별 뉴런(종종 설치류에서)을 직접 기록하여 생쥐에게 작업을 요청할 때 어떤 뉴런이 활성화되는지 확인하는 것이다. 또 다른 기술은 두개골 아래에서 대규모 뇌 활동을 기록한다. 이 접근 방식은 해상도를 희생한다. 우리는 더 이상 각 개별 뉴런이 어떻게 행동하는지 알지 못하지만 더 넓은 그림을 그린다.

 

문제는 해상도와 규모를 결합하는 방법이다. 이전 시도에서는 뇌에 삽입된 여러 개의 고밀도 전극에 의존했다. 뉴로픽셀(Neuropixels)이라고 불리는 각 임플란트는 작고 내구성이 뛰어난 패키지에 5,000개 이상의 기록 사이트가 들어 있는 강력한 장치이다. 당시 임플란트에 관한 논문의 저자는 "매우 많은 수의 개별 뉴런을 동일한 프로브로 몇 주, 때로는 몇 달 동안 추적하고 추적할 수 있었다."라고 썼다.

 

그러나 뇌 전체의 활동을 측정하기 위해 과학자들은 뇌 전체에 여러 개의 뉴로픽셀(Neuropixel) 장치를 배치해야 한다. 각각은 두개골에 구멍을 뚫어야 하며 뇌를 보호하는 혈액뇌장벽(Blood-Brain Barrier)으로 알려진 플라스틱 랩 같은 구조에 해를 끼칠 수 있다. 이러한 수술로 인한 손상은 종종 복합되어 감염 위험이 증가하면서 몇 주 동안 뇌가 작동하는 방식을 변화시킬 수 있는 염증을 유발한다.

 

지금까지 과학자들은 쥐의 생활을 기록하거나 실험에 참여할 때의 활동을 기록하기 위해 최대 8개의 임플란트를 삽입했다. 뉴스에 대한 통찰력을 얻는 동안 과학자들은 여러 번의 수술 후 쥐의 건강을 유지하기 위해 고군분투했다. 즉, 문제를 일으키는 것은 Neuropixel 임플란트가 아니라 모두 뇌 수술이었다.

대안이 있을까?

 

3D 대체

여러 번의 수술을 피하기 위해 새로운 연구를 주도한 앨런 연구소(Allen Institute) 팀은 쥐의 뇌의 거의 절반을 덮는 임플란트를 개발했다.

SHIELD라고 불리는 임플란트는 성형된 스위스 치즈와 약간 비슷하다. 비계는 어린 쥐의 두개골을 완벽하게 모방한 모양으로 세심하게 윤곽이 잡혀 있다.

 

그런 다음 사용자 정의가 이루어진다. SHIELD 스캐폴드는 Neuropixel용 작은 삽입 구멍을 최대 21개까지 수용할 수 있다. 과학자들은 관심 있는 여러 뇌 영역에서 기록할 구멍을 어디에 둘지 전략적으로 선택할 수 있다. 그런 다음 임플란트는 일상적인 3D프린팅에 자주 사용되는 점성 액체인 레진으로 프린팅 된다.

"SHIELD 임플란트는 시중에서 구할 수 있고 상대적으로 저렴한 3D프린터를 사용하여 사내에서 간단하게 제작할 수 있다."고 팀은 썼다.

 

일단 인쇄되면 각 구멍은 일시적으로 투명한 실리콘 고무로 채워진다. 유연한 앞유리처럼 고무는 이식 중에 섬세한 뇌 조직을 보호한다. SHIELD는 한 번의 수술로 두개골의 절반을 교체한다.

 

충격적으로 들리지만 팀은 이 절차가 쥐의 건강이나 뇌에 해를 끼치지 않도록 했다. 수술 후 2개월에 걸쳐 여러 시점에서 뇌를 촬영한 이미지를 보면 짧은 회복 기간을 거친 후 즐겁게 활동했던 대부분의 쥐의 손상이 거의 없는 것으로 나타났다. 연구 기간 동안 뇌 염증 수준도 낮게 유지되었다.

 

진행 상황은 다음과 같다. 쥐들은 8장의 사진 중 하나가 계속해서 깜박이는 것을 지켜본 다음, 사진이 바뀌면 간식을 핥는 법을 배웠다. 테스트 중에 6개의 Neuropixel 임플란트가 작업과 관련된 뇌 활동을 기록했다. 임플란트의 위치는 4일 동안 매일 바뀌었고, 대략 25개의 서로 다른 뇌 영역에서 신경 신호를 모두 수집했다.

 

또 다른 테스트는 1920년대에 처음 발견된 뇌파의 잠재적인 기반을 파헤쳤다. 알파파라고 불리는 이러한 신경 진동은 편안한 명상 상태와 관련이 있다. 인간의 경우 뇌파는 일반적으로 대부분의 뇌 영역을 기록할 수 있는 전극으로 덮인 비니 모양의 캡을 사용하여 모니터링된다. AI의 도움으로 뇌 전체의 Neuropixel 기록은 알파파와 유사한 신호에 집중되었다.

 

전반적으로 팀은 거의 90개의 다양한 실험에서 467개의 프로브 삽입을 통해 25마리의 생쥐부터 안정적인 고품질 기록을 만들었다.

"따라서 이 연구는 단순한 개념 증명을 넘어선 것이다." 대신 단 한 번의 초기 수술로 며칠에 걸쳐 수십 개의 뇌 영역과 수천 개의 뉴런에 걸쳐 기록할 수 있는 견고한 방법을 제공한다고 팀은 썼다.

 

그리고 마지막 혜택이 있다. SHIELD는 반투명하기 때문에 과학자들은 빛을 사용하여 뇌 활동을 조정할 수 있다. 광유전학이라고 불리는 이 접근 방식은 빛의 번쩍임으로 뇌 활동을 변경하여 과학자들에게 생각, 감정 및 기억의 신경 기반에 대한 통찰력을 제공한다.

저자는 다른 과학자들이 자신만의 맞춤형 임플란트를 디자인할 수 있도록 비계의 3D프린팅 파일을 공유했다.

이미지 출처: Ralph / Pixabay