"무게 1g"… 中, 자유 활동 쥐 뇌 신경 8,500개 동시 추적 '에어스코프' 개발

자유롭게 뛰어노는 동물의 대뇌 피질 전역에서 수천 개 개별 신경세포(뉴런)의 복잡한 신호 상호작용을 동시에 실시간으로 추적할 수 있는 세계에서 가장 작고 가벼운 무선 뇌 모니터링 현미경이 개발됐다.

그동안 동물의 머리를 물리적으로 고정하거나 무거운 케이블로 연결해야만 가능했던 뇌 피질 전체 관측의 한계를 극복하고, 초경량 무선 설계를 통해 자연스러운 집단행동과 사회적 상호작용 중 발생하는 뇌 신경 메커니즘을 규명할 수 있는 새로운 전기를 마련했다는 평가다.

10월 21일(현지시각) 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP) 보도와 세계적인 과학 학술지 네이처(Nature) 최신호에 따르면, 중국 칭화대학교 자동화학과 다이치옹하이(Dai Qionghai·戴瓊海) 원사(교수) 연구팀과 중국 인민해방군(PLA) 의과대학 공동 연구진은 무게가 1g(0.35온스)에 불과한 무선 착용형 뇌 중간경인 '에어스코프(Airscope)'를 독자 개발하는 데 성공했다.

광시야 6mm·단일 세포 4~6㎛ 해상도 동시 달성… 기존 한계 극복
현미경(세포 단위 관찰)과 거시경(조직 전체 관찰)의 장점을 결합한 '중간경(Mesoscope)'은 넓은 뇌 영역 내에서 개별 세포들의 동역학을 동시에 관측하기 위한 최첨단 광학 장비다.

기존의 고해상도 장비들은 대뇌 피질을 넓게 촬영할 수 있었으나 벤치탑 형태의 거대 장비에 쥐의 머리를 나사로 고정하거나 유선 케이블을 주렁주렁 매달아야 해 동물의 자연스러운 행동 관찰이 불가능했다. 반면 동물이 머리에 쓸 수 있는 초소형 현미경들은 무게 제한 때문에 시야각(FOV)이 1mm 미만으로 좁아 극히 일부 영역의 뉴런만을 단편적으로 관측하는 데 그쳤다.

연구팀은 광학 렌즈 설계부터 조명, 무선 통신, 초경량 전자기판을 인공지능(AI) 알고리즘으로 최적화해 기존 탁상형 현미경 대비 부피를 5분의 1로 압축했다.

그 결과 에어스코프는 직경 6mm에 달하는 피질 전역 시야각을 확보하면서도 4~6마이크로미터(㎛) 수준의 단일 세포 해상도 를 구현하는 데 성공했다. 2메가픽셀 이미지 센서에서 취득한 대용량 신경 영상 데이터를 기기 자체에서 실시간 압축한 뒤 지연 없이 무선 전송하는 메가픽셀급 데이터링크 기술도 결합됐다.

마이크로 서식지 누비는 쥐… 대뇌 피질 8,500개 뉴런 동시 기록
연구진은 에어스코프를 장착한 실험용 쥐를 은신처, 오르막 경사로, 나무 구멍 등이 조성된 정밀 모형 서식지에 투입해 성능을 실증했다.

1g에 불과한 초경량 헤드셋 덕분에 쥐들은 굴을 파거나 장애물을 기어오르는 등 장비를 착용하지 않은 일반 쥐와 동일하게 자유로운 자연 활동을 보였다.

동물들이 주변 환경을 탐색하고 상호작용하는 동안, 연구팀은 한 마리 쥐의 단일 대뇌 반구 14개 피질 영역에서 8,500개 이상의 개별 뉴런 활동을 동시에 안정적으로 기록 하는 성과를 거뒀다. 이는 기존 무선 영상 장치 대비 관측 세포 수가 약 25배 폭증한 수치다.

연구진은 이 데이터를 통해 쥐의 등쪽 뇌 피질 활동 패턴이 집단 내 사회적 서열 경쟁과 우위 점유에 어떻게 직접적으로 관여하는지를 신경학적으로 명확히 입증해 냈다. 동일한 부위에서 200일 이상 장기 관측이 가능해 신경 질환의 진행 과정을 추적하는 데도 최적화됐다.

광학 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 도약대… 종양·면역학 응용 확장

이번 연구의 교신저자인 다이치옹하이 교수는 "에어스코프는 광학 기반 뇌-컴퓨터 인터페이스(Optical BCI)를 훨씬 더 정밀하고 비침습적인 신경 감지 단계로 끌어올릴 핵심 도구"라고 강조했다.

그는 "이 기술은 우울증, 파킨슨병, 치매 등 퇴행성 뇌 질환과 정서 장애의 신경 회로를 밝혀내는 기초 뇌과학을 넘어설 것"이라며 "향후 생체 내 면역 반응 추적, 암세포 전이 메커니즘 규명 등 종양학과 면역학 전반으로 응용 범위를 확장할 계획"이라고 덧붙였다.

다이 교수 연구팀은 2013년부터 중간경 이미징 기술을 독자 연구해 왔으며, 2024년 9월에는 센티미터 폭 시야에서 초당 20프레임으로 살아있는 포유류 장기 내 대규모 세포 상호작용을 관측하는 3차원 초고속 현미경 'RUSH3D' 시스템을 국제 학술지 '셀(Cell)'에 발표해 중국 국가 과학기술 진보상을 수상한 바 있다.

글로벌 신경과학 및 의공학계는 "인위적 구속이 완전히 배제된 자연스러운 사회적 조건에서 대뇌 피질 전체의 신경망 발화를 단일 세포 수준으로 해독할 수 있게 된 것은 지능의 물리적 기원을 밝혀내는 역사적 분수령"이라며 "중국이 서방 주도의 뉴로테크 및 뇌 공학 분야에서 하드웨어와 광학 설계 역량으로 독자적 기술 주권을 확고히 구축하고 있다"고 평가했다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com