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칩 위의 뇌? Brain-on-a-chip 기술의 소개와 이용

2020년 9월 12일 업데이트됨

이 기사는 필자가 작년도 가을학기에 ‘생물학세미나’ 과목을 수강하면서 작성한 최종 리포트의 일부로, 제목은 ‘신경회로의 수정을 위한 광열 신경자극 플랫폼의 이용: 연합적 장기 상승 작용과 장기 억압 작용을 통하여’이다. 어려운 내용을 담고는 있지만, 굉장히 새로운 분야이고 최근 많은 관심을 받기 위해 여기에 쉬운 언어로 써진 소개와, 간단한 관련 연구제안서를 담아보려 한다.


신경세포칩이란?

기존 신경세포는 여타 동물세포와 같은 방식으로 키워졌으며, 그렇기에 신경의 연결에 대해서는 관찰이 어려웠고 무작위로 연결되어 있는 경우가 대부분이었다. 그러나 신경이 그 기능을 갖는 것은 각 세포의 기능보다 그 연결이 훨씬 더 중요하다는 것이 알려지면서, 신경세포의 연결이 효과적으로 탐구될 수 있는 배양 방식의 필요성이 부각되었다. 이와 더불어 신경세포의 축삭을 따른 신경전달을 탐구하는 데에 전기생리적 측정이 필요하나 세포의 위치를 정확히 파악하기 어렵고 많은 과정이 필요한 문제 역시 있었다.


신경세포칩은 공정을 통해 생산된 MEA(microelectrode array)라는 칩 위에 신경세포를 배양하는 것으로, 여러 방법을 이용하여 신경세포의 모양과 연결을 조절할 수 있고 미세전극(microelectrode)을 통해 활동전위를 효과적으로 측정할 수 있다는 장점을 가진다. 특히나 기존에 뇌 단면을 통해 진행되던 뇌 가소성(neural plasticity), 측면 억제(lateral inhibition) 등의 세포 연결과 상호 간의 자극/억제와 관련한 연구가 쉽게 진행될 수 있을 것으로 생각되고 있다.


그러나 신경세포칩은 단지 칩 위에서 신경세포를 키운다고 해서 완성되는 것이 아니라, 적절한 회로를 형성하기 위한 몇몇 조작 역시 필요하다. 기본적으로 전기적 측정은 미세전극 위에서 일어나기 때문에, 미세전극으로 이루어진 격자 내에서 신경세포가 있어야 한다. 또한 원하는 연구를 위해 신경세포는 적절한 개수의 다른 신경세포와 적절한 개수의 시냅스를 통해 연결되어야 한다. 이를 위해 현재는 축삭돌기의 성장원추(growth cone)를 끌어당기고 밀어내는 여러 물질들을 격자 형태로 배치하여 신경세포의 모양을 인위적으로 조절하는 등의 시도가 있다(그림 1). 그 외에도 정확하고 특정적인 측정을 위한 MEA 기술 발전, 기타 나노구조에의 신경세포 배양, 신경세포 인터페이스 제작, 신경세포칩 위 신경회로의 물리학적/수학적 모델링 등이 신경세포칩 연구와 관련하여 진행되고 있다. 최근에는 신경세포칩 내에서도 상황에 따라 회로를 조절하거나, 특정 세포의 활동을 조절하여 인공적 회로를 구성하려는 노력이 이뤄지고 있다.

[그림1] 신경세포칩의 한 예시. 이미지 출처 [1]로부터 인용함

광염 신경자극 플랫폼

기존에 신경세포를 조절하기 위해 사용되었던 방법은 크게 두 가지로, 세포막의 탈분극을 조절하기 위한 전기적 방법과 채널 단백질 신경전달물질 수용체 등의 활성을 조절하는 화학적 방법이었다. 그러나 이러한 방법들은 세포에 대한 특이성이 적기에 공간적/시간적 해상도(resolution)가 낮다는 단점이 있었다. 이에 대한 해결법으로 제시된 것이 광유전학적 방법으로, 세포에 대한 특이성이 확실히 보장되었으나 불안정하고 즉시적 처리가 불가능하다는 점에서 다른 방법이 필요한 상황이었다.


광열 신경자극 플랫폼의 경우에는 광학적 자극을 이용하되, 유전적 변형을 동반하지는 않도록 근적외선(near-infrared, NIR)에 의해 자극되는 금 나노입자(gold nanorods, GNRs)를 이용하였다. GNRs는 NIR에 대한 높은 흡수율을 보이며 이에 따라 열을 발생시키고, 이러한 열은 현재 암 세포의 선택적 사멸을 촉진하는 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 따라서 이 플랫폼에서는 GNRs를 뉴런의 세포막에 부착시킨 후 NIR을 쐬어 발생하는 열로 신경세포의 활성을 선택적으로 조절할 수 있다[8].


이에 대한 효율성을 탐구한 연구에서는, 신경세포칩 위의 GNRs를 처리한 신경세포에 NIR을 가한 후 정상 상태와의 전기적 포텐셜 개형을 비교하고, 활동 전위의 빈도를 비교함으로써 그 효율을 보였다(그림 2).

[그림2] 광열 신경자극 플랫폼의 실험 방법 모식도. [2]의 Fig.1A로부터 인용함.

처음으로는 GNRs가 신경세포의 생존(cell viability)에 미치는 영향을 보기 위해 GNRs와 PEG(polyethylene glycol)화된 GNRs를 신경세포에 처리한 이후의 생존률을 분석하였다. PEG는 금 나노입자의 자가 클러스터링(self-clustering)과 세포에의 흡수(cellular uptake)를 방지하는 것으로 알려져 있다. 그 결과 GNRs는 높은 농도에서는 신경세포에 강한 독성을 보였으나, PEG화된 경우에는 그 영향이 약했으며 GNRs가 처리되지 않은 세포와 유사한 정도를 보였다. 따라서 이를 통해 PEG화가 실제 플랫폼의 사용 시 독성을 낮추는 데 크게 기여할 수 있고, 신경세포에 사용이 가능하다는 결론을 얻을 수 있었다(그림 3).

[그림3] GNR과 NH2-PEG-GNR을 여러 농도로 처리하였을 때의 세포 생존률을 나타낸 그래프. [2]의 Fig.1E로부터 인용함.

또한 NIR의 세기와, 가해지는 시간을 달리 하며 신경세포에서 활동전위로 인해 나타나는 피크가 어떤 개형을 나타나는지 역시 분석되었다. GNR을 처리한 직후에는 NIR에 의한 신경세포의 활성 억제 정도가 크지 않았으나, 인큐베이션 시간에 따라 그 정도는 서서히 증가하였으며 9시간 후에는 활동 전위의 형성이 원래의 20% 가량으로 감소하는 경향이 나타났다(그림 4).

[그림 4] 인큐베이션 시간에 따른 PEG화 GNRs가 처리된 신경세포에서의 NIR에 의한 억제 정도 그래프. [2]의 Fig.2C로부터 인용함.

이러한 억제 결과를 가장 잘 보여주는 것이 아래 그림으로, 인큐베이션 과정에서 시간을 증가시켜가며 NIR을 가했을 때의 활동 전위 형성 빈도를 나타낸다. 즉 전체적으로 검은 띠가 얇은 부분에서 신경세포가 억제되었음을 알 수 있으며, 이는 NIR에 의한 억제 효과를 효과적으로 보인다(그림 5)[8].

[그림 5] NIR의 노출 시간을 다르게 하면서 활동 전위의 형성 빈도를 관찰한 그래프. 가로축은 시간, 세로축은 막전위의 변화를 나타냄. [2]의 Fig.2G로부터 인용함.

후속 연구에서는 단일 뉴런뿐만이 아니라 여러 뉴런이 연결된 신경회로에서 한 신경세포만을 특이적으로 억제하는 데 성공하였다. 신경세포칩 위에서 미세전극을 통해 NIR이 지역적으로 가해질 때, 미세전극 바로 위에 있는 세포만이 특이적으로 억제되었으며 다른 세포들의 활동은 정상적으로 유지될 수 있었다. 즉 이러한 결과는 신경회로의 조작(neuromodulation)이 광열 자극을 통해 이루어질 수 있음을 의미한다(그림 6)[7].

[그림 6] 미세전극의 위치(가장 왼쪽 그림의 검은색 원과 가운데 그림의 흰색 점선 원)와 각 세포의 위치. NIR에 의한 저해 효과를 나타낸 그림. [3]의 Fig.2C와 Fig.2D로부터 인용함.

연합적 장기 상승 작용과 장기 억압 작용

연합적 장기 상승 작용(associative LTP)은 장기 상승 작용(long-term potentiation, LTP)의 한 종류로, 고전적 조건화와 같은 뇌의 기억 형성에 중요하다고 알려져 있다. 기억의 형성은 주로 신경세포 간 연결을 담당하는 시냅스의 강도가 약해지거나 강해지면서 발생하고, 이를 통해 우리 뇌는 특정 정보에 대해 신경회로의 연결을 바탕으로 정보 처리 과정을 거치게 된다. Hebb의 법칙에 따르면, 신경절후뉴런이 발화 중일 때 신경절전뉴런의 축삭이 활성되어 있다면 시냅스의 연결 강도는 증가한다. 이에 따른 시냅스의 강화를 LTP라고 부르며, 신경절후뉴런이 시냅스로부터 받는 자극의 세기는 동일함에도 불구하고 반응으로 나타나는 막전위의 증가는 기존보다 훨씬 크게 나타난다(그림 7(a)).


[그림 7] (a) LTP로 인한 동일한 자극에 대한 반응 정도의 증가. (b) LTD로 인한 반응 정도의 감소. [4]로부터 인용함.

반대로 신경절전뉴런으로부터의 자극이 신경절후뉴런을 자극시키기에 불충분하다면 그 반응 정도는 감소하며, 이를 장기 억압 작용(long-term depression, LTD)라고 부른다(그림 7(b)).


시냅스의 강화와 약화에는 다른 뉴런들과의 상호작용 역시 영향을 미친다. 여기서 이야기되는 것이 바로 연합적 장기 상승 작용으로, 만약 약한 시냅스와 강한 시냅스가 동일한 신경절후뉴런에 연결되어 있는 상태에서 동시에 활성된다면, 약한 시냅스가 강화 작용을 거친다는 것이다(그림 8). 아래 그림을 볼 때, 초기의 (a) 상태는 약한 시냅스만이 활성되었을 때로, 신경절후뉴런에 강한 자극을 만들어내지 못한다. 그러나 (b)의 과정을 통해 연합적 장기 상승 작용을 겪게 되면, (c)에서와 같이 강한 시냅스를 통해 충분한 연결을 이루어낼 수 있다.

[그림 8] 연합적 장기 상승 작용을 표현한 모식도. [4]로부터 인용함.

따라서 정리하면, 연합적 장기 상승 작용과 장기 상승/억압 작용은 시냅스의 연결 정도를 바꿈으로써 신경회로에 변형을 가한다. 장기 억압 작용은 형성된 연결을 제거할 수 있으며, 연합적 장기 상승 작용과 장기 상승 작용은 형성된 연결을 강화시킬 수 있다. 특히나 연합적 장기 상승 작용은 신경절후뉴런을 직접 자극하지 않고도 신경절전뉴런들의 조합을 통해서 여러 시냅스들의 연결 정도를 한 번에 조절이 가능하다는 점에서 더 복잡한 신경회로를 형성하는 데 도움이 될 것으로 보인다.


연구의 제안

따라서 이 프로포절에서는, 앞에서 밝힌 바와 같이 광열 신경자극 플랫폼을 이용한 신경회로 수정 방법을 제안하고자 한다. 신경세포 회로를 조절함에 있어서 조작은 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 첫째, 신경세포의 연결을 추가하는 것. 이 과정은 연합적 장기 상승 작용을 통해 수행될 것이다. 둘째. 신경세포의 연결을 삭제하는 것. 이 과정은 장기 억압 작용을 통해 수행될 것이다. 아래부터는 실제 예시를 통해 두 과정을 설명해보려 한다.


한 신경절후뉴런에 세 개의 신경절전뉴런이 있는 경우를 생각해보자. 만약 한 개가 강한 시냅스를, 나머지 두 개가 약한 시냅스를 가지고 있고 약한 시냅스 두 개를 강화하고 싶다면 아래 그림과 같이 세 신경절전뉴런에 동시에 자극을 가하면 된다(그림 9). 만약 위쪽 것에만 연결 강하게 만들고 싶다면, 위쪽의 것에만 자극을 가해주면 된다(그림 10). 네 개 이상의 신경절전이 연결된 경우에도 강하게 만들고 싶은 것만을 선택적으로 자극하면 된다. 그러나 복잡한 회로에서는 광열 신경자극 플랫폼들을 이용한 복잡한 수학적 전략이 필요하다. 아래부터는 실제 예시를 통해 왜 광열 신경자극 플랫폼이 복잡한 신경회로에서 신경회로 조작의 효율을 상승시킬 수 있는지에 대해 이야기할 것이다.

[그림 9] 세 개의 강한 연결을 만들고 싶을 때의 방법. 초록색은 자극을 의미함.

[그림 10] 두 개의 강한 연결만을 만들고 싶을 때의 방법. 초록색은 자극을 의미함

[그림 11] 선택적으로 강화된 시냅스를 만들고 싶을 때의 방법. 초록색은 자극을 의미하며, 연한 분홍색 뉴런은 아주 약하게 자극된 것임. 검정색 뉴런은 광열 신경자극 플랫폼에 의해 활성이 저하된 상태를 의미함

위의 그림 11을 보자. 이는 매우 복잡한 회로 중 하나이다. 여기서 위의 연결만을 강화하고 싶고, 아래의 사선 연결은 제거하고 싶다. 그리고 아래의 뉴런은 강한 시냅스로 중간 뉴런과 연결되어 있고, 중간 뉴런은 오른쪽 뉴런과 강한 시냅스로 연결이 되어 있다. 사선 연결은 약한 시냅스다. 그리고 위의 뉴런은 약한 시냅스로 중간 뉴런과 연결되어 있다. 이때 위의 것만을 강화하기 위해서 아래의 강한 시냅스와 위의 약한 시냅스가 동시에 작동할 때, 자연스레 오른쪽 신경세포 역시 강하게 반응하면서, 아래쪽 세포와 동시에 자극을 받아 활성되는 상황이 발생한다. 즉, 이 상황에서는 사선 시냅스를 둘러싼 두 뉴런이 모두 반응하므로 장기 상승 작용으로 인해 사선 시냅스가 강화된다. 이는 원하지 않은 결과이다. 따라서 가장 오른쪽 뉴런에 광열 플랫폼을 통해 신경세포의 발화를 억제한다면, 아래 뉴런이 발화하더라도 LTP가 나타나지 않기 때문에 시냅스 강화가 억제되고, 오히려 약화가 일어난다. 따라서 이를 통해 원하지 않는 시냅스의 강화가 방지된다.

[그림 12] 약해진 시냅스의 복원. 초록색은 자극을 의미함

그리고 이때 약해진 중간 뉴런과 오른쪽 뉴런의 연결은 장기 상승 작용을 통해 복구될 수 있다(그림 12). 물론, 이러한 과정은 반복적인 연합적 장기 상승 작용과 장기 억압 작용의 반복을 통해서 동일하게 수행될 수 있다. 그러나 연결이 많이 복잡해지는 경우 이 과정들이 다른 신경세포들의 시냅스에도 영향을 미치기 때문에(그림 11), 특이적으로 세포 회로를 조절하기에는 많은 부담이 있다. 예시로 든 경우에도, 이러한 플랫폼을 사용하는 경우 크게 그림 11과 그림 12, 즉 선택적 강화와 약화된 시냅스 복구라는 두 과정으로 원하는 조작이 이루어질 수 있다. 그러나 만약 플랫폼을 사용하지 않을 경우, 위의 것을 강화시킬 수는 있으나 이로 인해 강화된 사선 시냅스를 억제해야 한다. 사선 시냅스를 억제하기 위해서는 오른쪽 시냅스가 아래 시냅스에 의해 작동하지 않아야 하므로 중간 시냅스에 약한 연결을 만들어야 한다. 이 이후 다시 중간 시냅스와 오른쪽 시냅스의 연결을 다시 만들어야 한다. 즉, 이러한 광열 신경자극 플랫폼을 사용할 경우 4번의 조작이 필요한 일반적인 방식보다 효율성이 증가할뿐더러, 약한 시냅스를 만들었다가 다시 강화하는 불필요