제이드 보이드, 2022.7.14
대상 뇌회로를 1초 미만으로 무선 활성화(조종)
라이스 신경공학자들은 초파리의 신경세포를 활성화시키기 위해 자기장을 이용한다.
휴스턴 – (2022년 7월 14일) – 라이스 대학의 신경 공학자들이 이끄는 연구팀은 초파리의 특정 뇌 회로를 1초 이내에 원격으로 활성화하는 무선 기술을 개발했다.
Nature Materials에 실린 시연에서, 라이스, 듀크 대학교, 브라운 대학교, 베일러 의과 대학의 연구원들은 자기 신호를 이용하여 울타리 안에서 자유롭게 움직이는 초파리의 신체 위치를 제어하는 표적 신경세포를 활성화시켰다.
라이스의 전기 및 컴퓨터 공학과 부교수이자 라이스 신경공학 이니셔티브의 멤버인 제이콥 라빈슨은 “뇌를 연구하거나 신경학적 장애를 치료하기 위해 과학계는 믿을 수 없을 정도로 정밀하면서도 최소한으로 침습적인 도구를 찾고 있다”고 말했다. “자기장이 있는 렉트 신경 회로는 신경 기술에서 성배와 같습니다. 리모트 자기 제어의 속도를 높여 뇌의 자연 속도에 가까워지게 하기 때문에 우리의 작업은 그 목표를 향해 중요한 발걸음을 내디뎠습니다.”
라빈슨은 이 새로운 기술이 유전적으로 정의된 뉴런의 자기 자극을 위한 가장 잘 입증된 기술보다 약 50배 더 빨리 신경 회로를 활성화시킨다고 말했다.
라빈슨은 “주요 저자인 찰스 세베스타가 온도 변화에 민감한 새로운 이온 채널을 사용한다는 아이디어를 가지고 있었기 때문에 우리는 진전을 이뤘다”고 말했다. “유전자 공학, 나노 기술 및 전기 공학 분야의 전문가들을 한데 모음으로써 우리는 모든 부품을 한데 모아 이 아이디어가 효과가 있다는 것을 증명할 수 있었습니다. 이것은 정말 운 좋게도 우리와 함께 일할 수 있었던 세계적인 과학자들의 팀워크였습니다.“
라이스 대학, 듀크 대학, 브라운 대학, 베일러 의과 대학의 연구원들은 초파리의 신경 회로를 무선으로 제어하는 자기 기술을 개발했다. 이들은 유전공학을 이용해 행동을 조절하는 신경세포 안의 열에 민감한 이온채널을 표시하고 이 채널을 활성화하기 위해 철 나노입자를 사용했다. 연구자들이 파리 우리에서 자기장을 활성화시키자 나노 입자는 자기 에너지를 열로 변환시켜 채널을 점화시키고 신경세포를 활성화시켰다. 실험 중 촬영된 오버헤드 카메라는 비행하며, 시각 분석 결과 유전자 변형 파리가 자기 신호를 수신한 후 약 0.5초 이내에 날개를 펼친 자세를 취한 것으로 나타났다(그림 제공 C. Sebesta and J. Robinson / Rice University)
연구진은 유전공학을 이용해 파리가 일반적인 짝짓기 동작으로 하는 날개를 부분적으로 펼치도록 특별한 열에 민감한 이온 채널을 신경세포에 발현시켰다. 그리고 나서 연구원들은 적용된 자기장으로 가열될 수 있는 자성 나노 입자를 주입했다. 머리 위의 카메라는 파리들이 전자석 위에 있는 울타리 주변을 자유롭게 돌아다닐 때 그들을 지켜보았다. 특정 방식으로 자기장을 변화시킴으로써, 연구원들은 나노 입자를 가열해 신경세포를 활성화시킬 수 있었다. 실험에서 나온 비디오의 분석 결과, 유전자 변형 파리가 자기장 변화 후 약 0.5초 이내에 날개를 펼치는 자세를 취한 것으로 나타났다.
라빈슨은 정확한 시간에 유전자 표적 세포를 활성화하는 능력은 뇌를 연구하고 질병을 치료하며 뇌-기계 간 직접 통신 기술을 개발하는 데 강력한 도구가 될 수 있다고 말했다.
라빈슨은 MOANA의 수석 조사관이다. MOANA는 비수술, 무선, 브레인-투-브레인 통신을 위한 헤드셋 기술을 개발하는 야심찬 프로젝트이다. “자기, 광학 및 음향 신경 접근”의 줄임말인 MOANA는 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)의 자금 지원을 받아 한 사람의 시각 피질에서 신경 활동을 “읽거나 해독해서 다른 사람의 뇌에서 그 활동을 “쓰기” 또는 인코딩할 수 있는 헤드셋 기술을 개발한다. 자기유전기술은 후자의 한 예이다.
라이스 대학, 듀크 대학, 브라운 대학, 베일러 의과 대학의 연구원들은 자기장의 신호에 반응하도록 초파리의 자세를 조절하는 유전자 조작 신경세포를 만들었다. 파리는 자기신호를 열로 바꾸는 철 나노입자를 주입받아 신경세포가 활성화되었다. 오버헤드 카메라는 신경세포가 비활성화되었을 때와 활성화되었을 때 파리들이 어떻게 행동하는지를 촬영했다. (그림 제공 C. Sebesta and J. Robinson / Rice University)
라빈슨 교수팀은 시각장애 환자의 시력을 부분적으로 회복시키는 목표를 위해 노력하고 있다. MOANA 연구원들은 시력과 관련된 뇌의 일부분을 자극함으로써, 비록 눈이 더 이상 작동하지 않더라도 환자들의 시력을 제공하기를 희망한다.
라빈슨은 “이 연구의 장기적인 목표는 수술을 하지 않고도 치료 목적으로 인간의 특정 뇌 영역을 활성화(조종)하는 방법을 만드는 것이다”라고 말했다. “뇌의 자연스러운 정밀도에 도달하려면 반응을 100분의 몇 초로 줄여야 합니다. 아직 갈 길이 있습니다.”
라이스 연구의 공동 저자로는 세베스타, 다니엘 토레스 히노조사, 조셉 아스푸리, 기욤 두레, 카이 장, 린린 장, 칭보 장, 강보가 있다. 다른 공동 저자에는 왕보슈오, 리중시, 스테판 괴츠, 페터체프 공작, 젠샤오, 비키 콜빈 브라운, 헤르만 디에릭 베일러 등이 있다.
이 연구는 DARPA (N66001-19-C-4020), 국립과학재단 (1707562), 웰치재단 (C-1963) 및 국립보건원 (R01MH107474)의 자금 지원을 받았다.
출처: https://news.rice.edu/news/2022/wireless-activation-targeted-brain-circuits-less-one-second
기사를 우회해서 초파리 대상 실험이라고 내보냈을 뿐 이미 인간을 대상으로 실험 중입니다. 그들은 인간의 뇌를 더 잘 조종하는 방법을 연구 중입니다. ㅄ으로 주입된 나노입자들이 외부 자기장 신호에 반응하여 생각과 감정과 행동이 조종됩니다.
