1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

인간의 뇌 지도를 완성하여 이롭게 사용하겠다는 Brain Mapping 프로젝트가 현재 이슈임에 따라, 미국의 BRAIN Initiative 등을 필두로 전 세계가 천문학적인 돈을 투자하고 있습니다. 이에 따라 뇌과학(Neuroscience) 연구의 발전은 최근 10년 이내에 매우 급속도로 이루어졌지만, 관련 실험을 위한 장비 개발 및 실제 환자와의 임상 연계과정을 다루는 뇌공학(Neural Engineering) 분야는 그에 비교해 주목을 많이 받지 못한 것이 사실입니다. 하지만 최근 들어 이러한 분야의 필요성을 여러 연구자가 인식하게 됨으로써, 여러 가지 시도들이 이루어졌고, 저는 그중에서도 현재 소속되어 있는 MIT Bioelectronics Group에서 광유전학(Optogenetics)을 이용한 뇌-기계 인터페이스(Brain-machine Interface) 장비를 만드는 일을 하고 있습니다.


<[동영상] 뇌-기계 인터페이스의 응용사례 : https://youtu.be/76lIQtE8oDY >


제가 사용하고 있는 가장 대표적인 기술인 광유전학이란, 특정 파장의 빛을 이용해서 신경 세포의 신호 전달을 인위적으로 조절하는 기술을 말합니다. 인간의 뇌를 간단하게 묘사하면 전기신호 및 화학물질을 매개로 하는 커다란 회로(circuit)로 표현할 수 있는데요, 광유전학 기술을 이용하면 이 회로에 인위적인 스위치를 추가함으로써 뇌의 특정 부분을 켜거나 끄는 것을 가능하게 할 수 있습니다. 조금 더 자세히 얘기하면, 특정 종류의 조류(algae) 중에는 빛을 향해 나아가는 주광성을 가진 것들이 있는데, 이 조류의 유전자를 채취해서 신경의 기본 단위인 뉴런(neuron)에 넣어 주면, 뇌나 척수 등 신경망에서 일어나는 일들을 특정 장소, 특정 시간에만 일어나게 하는 것이 가능해집니다. 뇌 지도가 어떻게 연결되어 있는가를 인위적인 자극을 통해 기록, 관찰하는 일이 가능해진 것이죠.


<[동영상] 광유전학이란 : https://youtu.be/Nb07TLkJ3Ww>

하지만 이 기술을 살아 움직이는 생물에 적용하기 위해서는 아주 작고도, 여러 기능을 수행할 수 있는 특수한 장비가 필요합니다. 정확히는 유전자 및 약물을 주입하기 위한 마이크로 사이즈의 유체관(fluidic channel) 뿐만 아니라, 빛 자극을 전달하기 위한 광통로(optical waveguide), 뇌에서 발생하는 신호를 즉시 컴퓨터로 전달하기 위한 전극(electrodes) 등이 모두 머리카락 정도의 크기의 작은 장비에 모두 담겨 있어야 합니다. 제가 MIT에서 한 일은, 이런 기능을 모두 포함한 마이크로 사이즈의 생체 적합한 디바이스를 개발하여, 간편하고도 안전한 뇌과학 실험을 가능하게 만든 것이라고 요약할 수 있습니다.

여기서 뇌공학 장비의 생체 적합성을 좌우하는 가장 중요한 요소는 바로 장비의 재료인데요, 보통 마이크로 크기의 구조물을 만드는데 쉬운 재료인 실리콘이나 금속 같은 경우에는, 삽입될 경우 높은 강도에 의해 뇌에 심각한 상처를 일으킵니다. 그로 인해 생기는 면역 반응 때문에 장비 주변은 아교 세포(Gila)들로 둘러싸이게 되고, 이 세포들은 장시간이 지나면 일종의 절연체로 작용하여 전극 부분을 못쓰게 만들어 버립니다. 오랫동안 뇌에서 일어나는 일을 보고자 하거나, 관련 기술을 실제 환자에게 사용하고자 하는 상황에서는 큰 문제가 될 수 있는 부분이죠. 그래서 우리 연구실에서는, 더욱 부드러운 고분자(polymer) 재질의 물질을 이용하여 유연하면서도 뇌 조직과 흡사한 강도를 가지는 섬유(fiber) 형태의 장비를 제작하고 있습니다. 아래 동영상은 이러한 장비를 만들기 위해 이용한 특수공정인 ‘열 인발 공정(thermal drawing process)’을 적용하기 위해 직접 만든 타워의 모습입니다.

<[동영상] 열 인발 공정을 이용한 마이크로 섬유장비의 제작 : https://youtu.be/xhz1p3q1pdc>


이렇게 만들어진 섬유를 외부 부품에 연결하면 아래 그림과 같은 1cm x 0.5cm 크기, 0.5g 무게의 장비를 제작할 수 있는데요, 이 장비를 살아 움직이는 쥐의 뇌에 삽입하여 여러가지 뇌과학 관련 실험을 진행한 내용을 올해 초에 Nature Neuroscience에 게재하였습니다. 저희 장비는 위에서 언급했듯 빛 자극을 가하고, 뇌의 신호를 실시간으로 전달 받아 컴퓨터로 옮기는 동시에, 유체관을 이용해 약물이나 유전자 처리를 가능하게 하는 등의 다양한 기능을 보유하고 있습니다. 또한, 이를 통해 가능한 여러가지 뇌과학 실험들을 실제 예시로 제시함으로써 (행동 실험 및 장기간 single-unit activity tracking), 장비의 범용성을 보여주는 데도 성공하였습니다.

또한 재료를 조금만 바꾸면, 뇌가 아닌 다른 부위인 척추용 장비를 개발할 수도 있습니다. 척추는 상대적으로 움직이 없는 뇌에 비해 몸의 약 12% 정도의 strain을 가질 정도로 변형이 매우 심한 부위입니다. 그래서 저희는 보다 큰 신축성을 가진 탄성고분자 물질로 섬유 형태의 장비를 인발한 후에, 은나노 와이어 (silver nanowire)를 코팅하는 방법으로 매우 얇은 전극을 제작하여 약 100 마이크로 미터 지름의 유연하고 신축성이 있는 척추용 장비를 개발하였습니다. 이 장비 역시 빛 자극을 주는 동시에, 척수에서 일어나는 전기 자극을 컴퓨터로 옮기는 일을 가능하게 하고 있습니다. 또한, 이 장비를 이용하면 말초신경의 신호를 조절하여 다리 등 근육을 컨트롤 하는 것도 가능해 지므로, 앞으로 전신마비 환자 및 장애 분들을 위한 뇌-기계 인터페이스 (BMI)에도 적용될 것으로 기대되고 있습니다. 위 내용은 Science Advances라는 저널에 발표되었고, 저희는 이러한 뇌 및 척추 관련 광유전학 장비가, 여러 뇌 영역의 기능 및 상호 연결에 대해 학습할 수 있는 새로운 방법론적 계기가 되어, 기존 뇌과학 연구의 지평을 넓히는 계기가 되기를 기대하고 있습니다.


<[동영상] 신축성 있는 섬유소자 : https://youtu.be/GR1KEfGK67I>


<[동영상] 광유전학 장비를 이용한 말초신경 및 근육 조절 장면 : https://youtu.be/CMjPYBHPyc0>

마지막으로 저는 광유전학이 조직공학에 어떻게 쓰일 수 있는가에도 관심이 많은데요, 관련 연구로 광유전학이 신경 세포의 성장 촉진에 어떻게 이용될 수 있는가에 대해 연구한 내용을 Scientific Reports 저널에 발표한 적이 있습니다. 이 연구에서 저는 빛 자극에 의해 강제적으로 일어난 신호가 신경 세포의 성장 인자의 배출을 유도하여 자기 자신의 성장을 촉진시킨다는 것을 발견하였고, 또한 빛 자극의 시간 및 진동수를 조절하여 어떤 조건에서 성장이 가장 높은 비율로 촉진될 수 있는가를 밝혀 내었습니다. 위의 장비 개발 관련 연구와 이 연구의 결과를 결합시켜서, 앞으로는 실시간으로 모니터링이 가능하면서도 신경의 성장을 촉진시킬 수 있는 조직공학용 장비 (tissue scaffold)를 개발할 계획에 있습니다.

2. 본인의 대표 논문

[1] S. Park, Y. Guo, X. Jia, H. K. Choe, B. Grena, J. Kang, J. Park, C. Lu, A. Canales, R. Chen, Y. S. Yim, G. B. Choi, Y. Fink, and P. Anikeeva, “One-step Optogenetics with Multifunctional Flexible Polymer fibers”, Nature Neuroscience, vol. 20, no. 4, pp. 612-619, 2017.

저널 링크: https://www.nature.com/articles/nn.4510
MIT News 링크: http://news.mit.edu/2017/multifunctional-tiny-fibers-brain-022


[2] C. Lu*, S. Park*, T. J. Richner, A. Derry, I. Brown, C. Hou, S. Rao, J. Kang, C. T. Moritz, Y. Fink, P. Anikeeva, “Flexible and Stretchable Nanowire-coated Fibers for Optoelectronic Probing of Spinal Cord Circuits”, Science Advances, vol. 3, no. 3, e1600955, 2017 (*equally contributed).

저널 링크: http://advances.sciencemag.org/content/3/3/e1600955
MIT News 링크: http://news.mit.edu/2017/stretching-boundaries-neural-implants-0331

[3] S. Park, R. A. Koppes, U. P. Froriep, X. Jia, A. K. H. Achyuta, B. L. McLaughlin, P. Anikeeva, “Optogenetic Control of Nerve Growth”, Scientific Reports, vol. 5, 9669, 2015.

저널 링크: https://www.nature.com/articles/srep09669


3. 연구중에 어떤 극복해야 할 문제가 있었고 이를 어떻게 해결하셨는지?

아무래도 학부와 석사 때 기계공학을 전공하고 박사 때는 전기공학을 전공하고 있는 만큼, 제 연구에 필요한 뇌과학 및 생명공학 지식이 부족하다고 느낄 때가 많았습니다. 하지만 제가 앞으로 하고 싶은 일을 하려면 이러한 문제를 극복하는 것이 꼭 필요하다고 생각했고, 그래서 시간이 조금 걸리더라도 관련 서적 및 논문을 읽어가며 차근차근 공부를 해나간 것이 도움이 많이 되었던 것 같습니다.

또한 융합 분야의 연구를 진행할 때 가장 중요한 것은 새로운 분야를 배우는 것을 두려워 하지 않는 마음 그 자체라고 생각합니다. 앞으로 자신의 전공 분야에 대한 기초를 잊지 않으면서도, 자신이 전공한 것이 아닌 분야에 대한 선입견이나 막연한 벽을 허물고 분야 사이에서 아무도 발견하지 못한 것을 찾아 헤메는 과학자가 많아지길 기대해 봅니다. 특히 생물학 입장에서는 관련 장비 제작을 시도하는 공학 전공자들이 굉장히 필요한 시점임에도 불구하고 그 공급이 많지 않기 때문에, 저와 같이 양쪽 분야에 대한 지식을 모두 습득하고 교두보 역할을 하는 사람이 세상에는 꼭 필요하다고 생각합니다. 이러한 위치에서 보다 쓸모 있는 장비와 기술을 개발해서, 세상의 바이오 및 의료 분야의 발전에 조금이나마 기여하는 것이 제 꿈입니다.


4. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

일단 현재 연구실에서는 뇌가 아닌 다른 부위, 특히 장기와 같은 곳에 뻗어 있는 말초 신경계의 자극 및 신호 기록을 가능하게 하는 방법에 대해 연구하고 있습니다. 그리고 고분자 물질도 아직 생체 조직에 비해서는 강도가 높은 물질이기 때문에, 하이드로젤 등 보다 부드럽고, 유연한 물질을 이용해서 뇌공학 장비를 개발하는 쪽으로도 연구를 하고 있습니다. 마지막으로 위에서 얘기했던, 광유전학을 조직공학에 이용할 수 있다는 점에 착안하여 신경 절단 부위에 삽입할 수 있는 채널(channel)형 다기능 장비를 개발할 계획도 가지고 있습니다. 열 인발 공정을 이용하면 다양한 물질의 조합으로 광통로, 전극 등을 다양한 모양의 구조체에 담을 수 있기 때문에, 이를 이용하면 신경의 성장을 촉진하면서도 안에서 일어나는 일을 실시간으로 확인할 수 있는 새로운 개념의 세포구조체(tissue scaffold)를 개발할 수 있지 않을까 합니다.


5. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

이 연구는 MIT RLE의 Bioelectronics Group에서, 지도교수님이신 Polina Anikeeva 교수님 지도하에 진행되었습니다 (http://www.rle.mit.edu/bioelectron/). 저희 연구실은 여러 가지 신경을 자극할 수 있는 방법들을 이용해서 (빛, 자기장, 열, 토크 등) 바이오 연구 및 의료용 으로 사용될 수 있는 다기능 장비 및 약물을 제작하고 있습니다. 연구 방향은 크게 세 가지가 있는데요, 제가 속해 있는 유연한 재료를 이용해서 광유전학을 위한 섬유형 장비를 만드는 쪽, 나노 자성 입자를 이용해서 신개념 비침습적 신경 전달을 연구하는 쪽, 그리고 광유전학을 이용한 조직 공학용 장비 및 방법을 개발하는 쪽으로 나뉠 수 있을 것 같습니다. 주제가 여러 분야에 걸쳐있는 만큼, 다양한 배경을 가진 학생들 및 포닥들이 모여 각자 자기가 가진 지식으로 보다 좋은 신경용 장비를 개발하는데 집중하고 있습니다.


6. 이 분야로 진학하려는 후배(또는 유학 준비생)에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

제가 아직 누군가에게 조언을 해 줄 정도의 위치가 아니라 조심스럽지만, 저를 항상 좋은 결과로 끌어줬던 때는 겁을 먹지 않고 무언가를 진행했을 때 였던 것 같습니다. 제가 기계과 학생으로써 처음 들어왔을 때 저희 지도교수님께서 가장 먼저 시키셨던 일이 클로닝 및 바이러스 제작이었는데요, 이 때 제가 이러한 일들을 하는 것이 불가능하다고 생각하고 계속 배움을 추구하지 않았다면, 아마 좋은 결과를 얻지 못했을 것입니다. 그래서 이루고자 하는 바가 있으면, 조금 멀리 바라보고 잘 모르는 분야라도 배움을 추구하는 것이 오히려 가장 빠른 길이라는 얘기를 하고 싶습니다. 또한 혼자 연구실에 틀어박혀 있는 것보다 주변의 많은 분들께 도움을 청하고, 함께 지식을 나누었던 것 또한 제가 벽에 가로막혔을 때 출구가 되어 주었다고 생각합니다. 앞으로 연구를 하시면서, 혼자 외롭게 학문을 추구하기 보다는 자기 주변에 있는 사람들과 함께 걷는다는 생각으로 서로 도와가며 연구하시면 더 좋은 결과가 있을 것 같습니다.


7. 다른 하시고 싶은 이야기들.

먼저 연구를 무사히 끝낼 수 있게 도와주신 여러 분들께 감사를 드립니다. 제가 뇌공학 연구에 입문하는데 많은 도움을 주셨던 MIT 뇌인지과학과 Gloria Choi 교수님과 임영신 박사님, 그리고 지금은 DGIST 뇌인지과학과 조교수로 재직중이신 최한경 박사님께 감사드립니다.

그리고 제가 유학을 나오기 전까지 제 기반이 될 연구를 지도해주시고, 항상 조언을 아끼지 않으셨던 연세대학교 생명공학과 조승우 교수님, 서울대학교 의과대학 재활의학과 정선근 교수님께도 정말 감사드립니다.

마지막으로 학부 및 대학원 시절에 찾아뵈었을 때, 좋은 말씀 많이 해주셨던 서울대 기계공학과 전누리 교수님, 윤병동 교수님, 김호영 교수님, 이경수 교수님, 연세대 기계공학부 류원형 교수님, 서울대 화학생물공학부 김대형 교수님, 서울대 화학부 김성연 교수님께도 감사드리고 싶습니다.