전기생리학과 뇌 심부 이미징을 통합한 차세대 신경 인터페이스 기술 개발
국제저명학술지 Advanced Functional Materials 논문 개재
서울시립대학교(총장 원용걸)는 전자전기컴퓨터공학부 박동욱 교수, 미국 위스콘신대학교, 인스코픽스(Inscopix)사 공동연구팀이 뇌 심부 뉴런에서 전기 신호와 광학 신호를 동시에 측정할 수 있는 투명 신경전극 시스템 BioCLEAR를 개발했다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 세계적 권위의 응용과학 저널 “Advanced Functional Materials” (IF 19, JCR상위 4.5%)에 10월 23일 온라인 게재되었으며, BioCLEAR는 전기생리학(electrophysiology)과 칼슘 이미징(calcium imaging)을 단일 플랫폼에서 수행할 수 있는 멀티모달 신경 계측 기술로 평가받고 있다.
(논문제목: Transparent Inorganic–Organic Bilayer Neural Electrode Array and Integration to Miniscope System for In Vivo Calcium Imaging and Electrophysiology
논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202511627)
연구팀이 개발한 BioCLEAR는 은나노와이어(AgNW) 기반의 무기 전도체와 도핑된 PEDOT:PSS 유기 고분자층을 결합한 유무기 하이브리드 구조로 설계되었다. 이 조합을 통해 기존 금속 전극이 가진 불투명성과 영상 간섭 문제를 해결하면서도, 뛰어난 전기적 성능과 유연성을 동시에 확보했다. 투명 신경전극의 성능은 전기화학 임피던스 계측법(EIS), 순환전압전류법(CV), 가속 수명 시험, 세포 생존성 평가, 설치류 동물실험 등을 통해 체계적으로 검증되었다.
특히, 투명 신경전극 어레이를 실리콘벨리 소재 신경영상 전문기업인 Inscopix사의 GRIN(Gradient Index) 렌즈 시스템과 통합하여, 뇌 속 깊은 영역의 뉴런에서 전기적 신호(스파이크)와 칼슘 기반 광학 신호를 동시에 검출하는 데 성공했다. 이 통합 시스템은 생체 내(in vivo) 동물 모델에서 검증되었으며, BioCLEAR의 높은 투명성 덕분에 이미지 왜곡이 거의 없는 상태에서 전기·광 신호를 동시 관측할 수 있었다.
이를 통해 연구진은 뉴런의 전기적 흥분과 칼슘 역학 간의 상호작용을 한 위치에서 정밀하게 분석할 수 있는 기반을 마련하였다. BioCLEAR의 투명 특성은 광유전학(optogenetics) 및 다광자(two-photon) 영상 기술과의 결합에도 이상적이며, 이 시스템은 향후 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI), 신경보철(Neuroprosthetics), 뇌질환 모니터링 및 치료 기기에 응용될 잠재력이 클 것으로 보인다.
이번 연구는 서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 한동준 박사후연구원(제1저자)이 BioCLEAR의 소재, 구조, 전기화학 및 광학 특성 분석 연구 등을 주도하였으며, 미국의 대학·기업(위스콘신대–Inscopix사)과 협력하여 뇌 심부 실험 검증까지 전 과정을 완성한 대표적인 국제 공동연구 성공 사례로 평가된다.
(좌로부터) 서울시립대 한동준 박사, Inscopix사 Jonathan Nassi 박사, 위스콘신대 Justin Williams 교수, 서울시립대 박동욱 교수,
본 공동연구의 책임자인 박동욱 교수(교신저자)는 “BioCLEAR는 뇌 깊은 영역의 뉴런 활동을 전기적·광학적으로 동시에 관찰할 수 있는 새로운 툴이며, 본 기술을 통해 신경전극 및 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 산업의 기술 경쟁력 제고와 생태계 발전에도 기여할 계획이다.”라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단(NRF)의 글로벌기초연구실지원사업, 중견연구, 국가아젠다연구 과제의 지원을 받았으며, 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원의 대학ICT연구센터사업 연구결과로 수행되었다. 또한, 서울시립대학교 반도체연구센터(UOS Fab)의 연구 인프라를 바탕으로 수행되었다.