포스텍(POSTECH) 연구팀이 실제 사람의 뇌와 유사하게 작동하는 3D 뇌 모델을 만드는 데 성공했다. 조동우 기계공학과 교수와 장진아 교수, 배미현 박사, 김정주 박사 연구팀이 연구에 참여했다. 연구성과는 최근 제조 및 소재 분야 국제 학술지 '인터내셔널 저널 옵 익스트림 메뉴팩츄링'에 게재됐다.
연구팀은 3D프린터로 집을 짓듯, 뇌 구조를 층층이 쌓아 올려 새로운 인공 뇌 모델 'BENN(Bioengineered Neural Network)'을 만들었다. 실제 뇌처럼 '회백질'과 '백질'이라는 두 구역으로 나눠 구조를 구현했다. 회백질은 신경세포의 본체가 모여있고, 백질은 신경세포의 축삭들이 정렬되어 위치하는 정보 고속도로와 같은 영역이다.
연구팀은 이 구조가 실제 뇌처럼 작동하도록 전기 자극을 가해 신경세포들이 정해진 방향으로 길게 자라도록 유도했다. 덕분에 세포들이 하나의 통로를 따라 자연스럽게 연결되며, 실제 뇌의 정보 전달 회로와 유사한 신경망을 형성할 수 있었다. 칼슘 이온의 움직임을 실시간으로 관찰한 결과, BENN 모델이 실제 뇌처럼 전기 신호를 주고받는 반응을 보인다는 사실도 확인했다.
연구팀은 3D프린터로 집을 짓듯, 뇌 구조를 층층이 쌓아 올려 새로운 인공 뇌 모델 'BENN(Bioengineered Neural Network)'을 만들었다. 실제 뇌처럼 '회백질'과 '백질'이라는 두 구역으로 나눠 구조를 구현했다. 회백질은 신경세포의 본체가 모여있고, 백질은 신경세포의 축삭들이 정렬되어 위치하는 정보 고속도로와 같은 영역이다.
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3차원 바이오프린팅과 전기 자극을 이용한 BENN 응용에 대한 모식도 |
연구팀은 이 구조가 실제 뇌처럼 작동하도록 전기 자극을 가해 신경세포들이 정해진 방향으로 길게 자라도록 유도했다. 덕분에 세포들이 하나의 통로를 따라 자연스럽게 연결되며, 실제 뇌의 정보 전달 회로와 유사한 신경망을 형성할 수 있었다. 칼슘 이온의 움직임을 실시간으로 관찰한 결과, BENN 모델이 실제 뇌처럼 전기 신호를 주고받는 반응을 보인다는 사실도 확인했다.
연구팀은 BENN 모델을 활용해 알코올이 뇌에 미치는 영향을 직접 실험해봤다. 사회적 음주 수준인 0.03%의 에탄올 농도를 뇌 모델에 3주간 매일 적용했을 때, 회백질 영역에서는 알츠하이머와 관련된 단백질(아밀로이드-베타, 타우 단백질)이 증가했고, 백질 영역에서는 신경섬유가 휘거나 부풀어 오르는 변형이 나타났다. 뇌 영역마다 다르게 나타나는 알코올 유발 반응을 실시간으로 관찰하고 시각화한 것은 이번이 처음이다.
조동우 교수는 “전임상 단계에서 질환을 조기에 확인하고 치료 효과를 정확히 예측하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 전했다. 또 장진아 교수는 “이제는 실험실에서도 뇌 질환의 초기 반응을 확인할 수 있는 길이 열린 셈”이라고 덧붙였다.
한편, 이번 연구는 범부처재생의료기술개발사업과 STEAM연구사업의 지원으로 수행됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
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