과학기술
신경계의 모든 작용이 신경세포와 신경세포 간의 상호작용으로 인해 이루어진다.
그러나 뉴런(neuron)이라고 하는 이 세포가 한번 손상되면 복구가 매우 힘든 것이 현실이다. 뇌경색, 뇌졸중, 뇌출혈 등의 다양한 뇌 관련 질환들이 무서운 이유가 여기에 있다.
과학자들은 이런 문제를 해결하기 위해 인공신경인 인공 뉴런(artificial neurons)을 개발해 손상된 신경을 대체하고, 더 나아가 컴퓨터 등에 접속해 사람의 마음을 교감할 수 있는 방안을 모색해왔다.
영국 바스 대학 연구팀이 사람의 신경 기능을 모방해 인공신경을 만들어내는데 성공했다. 생체공학적으로 설계된 이 인공신경은 인체 내 손상된 신경을 대체할 수 있어 새로운 치료법으로 주목받고 있다. ⓒneurocirugiachile.org
심부전 등 난치병 치료에 적용할 수 있어
그리고 최근 인공신경의 꿈이 실현되고 있는 중이다.
4일 ‘가디언’ 지는 영국 바스 대학 연구팀이 인공신경을 개발했으며, 이를 통해 심부전, 중풍 등의 신경 손상 환자를 치료할 수 있는 방안을 모색하고 있다고 전했다.
인공 신경(혹은 인공 뉴런)이란 인체 내 신경 기능을 모방한 것을 말한다. 과학자들은 인공 뉴런을 제작한 후 대단위 정보처리가 가능한 인공신경망(artificial neural network)을 구축해왔다.
그러나 이전에 개발한 인공 신경은 기계를 위해 설계한 것이다. 바스 대학의 인공 신경은 생체공학적으로 설계해 치료 등에 활용이 가능하다.
연구팀은 뉴런과 뉴런 사이를 연결하는 신경회로를 복제한 후 신경전달물질로부터 나오는 뇌의 신호를 모방해 인공 뉴런을 제작하는데 성공했다고 밝혔다. 또 이 뉴런은 손상된 신경 부위에 삽입해 기능이 저하된 신경을 대체할 수 있다고 설명했다.
외형상으로 이 인공 뉴런은 수 mm 길이의 소형 칩으로 그 안에 미세한 전기신호가 발생하고 있다.
연구를 이끈 바스 대학의 물리학자 알랭 노가레(Alain Nogaret) 교수는 “생체공학적으로 설계된 이 인공 뉴런을 통해 근육‧장기 등을 구성하고 있는 인체 내 신경세포들과 전기신호를 자연스럽게 주고받을 수 있다.”고 설명했다.
바스 대학 연구진은 현재 이 칩을 이용한 치료방식을 개발 중이다. 노가레 교수는 또 “먼저 난치병인 심부전(heart failure) 환자 치료를 시도하고 있다.”고 밝혔다.
심부전이란 고령이나 질병으로 인해 심장 활동을 관장하는 신경회로 기능이 저하되면서 잘못된 신호를 보내게 되고 결과적으로 심장 박동이 불균형해지면서 신체에 혈액을 제대로 공급하지 못하는 질환을 말한다.
관련 논문은 ‘네이처’ 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 3일 자에 게재됐다. 논문 제목은 ‘Optimal solid state neurons’이다.
손상된 부위에 칩 넣어 신경기능 대체
연구팀은 논문을 통해 최근 신경 내에서 잘못된 신호가 발생하는 것을 바로잡는 생체전자의약품(Bioelectronic medicine) 개발이 활기를 띠고 있다고 말했다.
그리고 이 새로운 의약품 개발을 위해 신경의 정보처리 과정을 정확히 인지해 치료에 활용할 수 있는 ‘뉴로모픽 마이크로칩(Neuromorphic microchips)’ 개발이 절실히 요구되고 있었다고 말했다.
연구팀은 이번에 바스 대학에서 개발한 인공 뉴런(혹은 인공신경)이 인체 내에 칩을 심어 기존 기능을 대체하는 방식이라고 밝혔다. 다리 신경에 문제가 있다고 하면 손상된 신경 부위에 칩을 심어 고장 난 부위를 대신할 수 있다는 것.
노가레 교수는 “누구나 나이를 먹게 되면 뉴런 기능이 퇴화해 다양한 부위에서 고통을 겪게 되지만 퇴화된 부위를 이 마이크로칩으로 대체하게 되면 기능 저하로 발생한 질환을 해소할 수 있다.”고 설명했다.
바스 대학에서 인공신경 개발이 가능했던 것은 최근 인공지능 기능이 발전하면서 새로운 프로그램을 통해 실제로 살아있는 뉴런의 기능을 복제할 수 있었기 때문이다.
연구팀은 획득한 정보를 특수 제작된 실리콘 칩 안에 복제했으며, 다양한 실험을 거쳐 실제 뉴런 간에 발생하고 있는 전기신호를 94% 이상 재현해낼 수 있었다고 설명했다.
연구팀이 뉴런 기능을 복제하기 위해 모델로 사용한 첫 번째 부위는 뇌의 해마(hippocampus)다. 기억과 공간 개념, 감정적인 행동, 더 나아가 무의식의 세계를 컨트롤할 수 있는 매우 중요한 곳이다.
바스 대학 연구팀은 또 뇌 외에도 중추신경, 말초신경, 피부의 감각신경 등을 복제했으며, 이를 통해 신경마다 다른 다양한 신호를 분석했고, 마이크로칩을 통해 이를 재현할 수 있었다고 밝혔다.
연구에 공동 참여한 줄리안 페이턴(Julian Paton) 교수는 “이번 연구가 인공 뉴런 분야에서 매우 중요한 의미가 있다.”고 말했다.
또한 페이턴 교수는 “마침내 뉴런에서 무슨 일을 하고 있는지 이해하기 시작했으며, 또한 뇌 등의 신경기능을 대체할 인공 기능을 만들었다는 점에서 향후 기억력은 물론 신경 관련 질환을 치료하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것”이라고 말했다.
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- 이강봉 객원기자
- aacc409@naver.com
- 저작권자 2019.12.05 ⓒ ScienceTimes
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