KAIST 무선 뇌 칩, 미니돼지에서 알츠하이머병 치료제 반응 추적

약효가 나타나는 동안 뇌 화학물질을 추적하다

미니돼지의 전전두엽에 이식한 무선 칩이 동물에게 알츠하이머병 치료제인 도네페질을 투여한 뒤 기억과 관련된 화학물질의 증가를 추적했다. 신호는 이후 서서히 투여 전 수준으로 돌아갔으며, 이를 통해 연구진은 약물에 대한 뇌의 화학적 반응을 연속적으로 관찰할 수 있었다.

KAIST 기계공학과 장경인 교수가 이끈 이번 연구는 아세틸콜린 센서와 소형 광원, 무선 측정 전자장치를 결합했다. 연구 목적은 나중에 채취한 시료를 기다리거나 주로 행동 변화를 통해 약물 효과를 평가하는 대신, 특정 뇌 영역 내부의 변화를 실시간으로 추적하도록 돕는 것이다.

연구 결과는 2026년 10월 14일 셀프레스가 발행하는 학술지 디바이스(Device)에 게재됐다. KAIST는 10월 27일 연구를 발표했다. 공동 연구에는 대구경북과학기술원(DGIST), 한국뇌연구원(KBRI), 한국생명공학연구원(KRIBB)이 참여했다.

이번 실험에서는 동물 뇌의 화학적 반응을 측정했다. 환자에게 도움이 되는지 평가하려면 이식 장치가 장기간 안전하게 유지되고 신뢰할 수 있는 측정값을 계속 제공하는지 시험하는 등 추가 연구가 필요하다.

아세틸콜린을 추적한 이유

아세틸콜린은 신경세포 사이에서 정보를 전달하는 화학적 전달자인 신경전달물질이다. 학습과 기억을 돕기 때문에 약물이 이러한 기능에 미치는 영향을 연구하는 데 유용한 표적이다.

도네페질은 아세틸콜린을 분해하는 효소인 아세틸콜린에스테라아제에 작용한다. 이 효소를 차단하면 아세틸콜린이 더 오래 활성 상태를 유지할 수 있다. 약물 투여 후 아세틸콜린을 추적하면 뇌 안에서 일어나는 이 과정의 일부를 관찰할 수 있다.

연구팀은 판단, 주의력, 기억에 관여하는 전전두엽을 선택했다. 칩을 이식하고 도네페질을 투여한 뒤 아세틸콜린 신호가 증가했다가 서서히 기저 수준, 즉 치료 전에 기록한 수준에 가까워지는 것을 관찰했다.

이처럼 신호가 변하는 양상은 약물 작용이 시간에 걸쳐 진행되기 때문에 유용하다. 한 시점에 측정하면 신호가 증가하는 순간이나 회복되는 순간만 포착할 수 있지만, 연속 기록을 통해 각 단계가 어떤 순서로 이어지는지 확인할 수 있다.

연속 무선 측정이 바꾸는 점

연구자들은 뇌 질환 치료제를 기억력 검사, 행동 관찰 또는 영상 촬영으로 평가하는 경우가 많다. 이런 방법은 뇌 영역에 직접 배치하는 센서와는 다른 질문에 답한다. 수행 능력이나 더 광범위한 뇌 활동을 추적할 수 있는 반면, 칩은 이식 부위에서 특정 화학물질의 반응을 추적한다.

뇌에서 체액을 직접 채취하는 데는 시료당 몇 분 이상이 걸릴 수 있다. 새 장치는 초 단위로 변화를 추적해 짧은 시간 동안 변하는 신호를 더 세밀하게 기록했다.

소형 회로가 측정값을 처리해 블루투스로 외부 기기에 전송한다. 이에 따라 동물을 기록 장비에 데이터 케이블로 연결하지 않고도 연구진이 측정값을 받을 수 있다.

미니돼지는 설치류보다 뇌의 크기와 구조가 인간의 뇌에 더 가까워 실험에 사용됐다. KRIBB는 동물을 제공하고 수술 절차를 지원했으며, 이 연구에 필요한 시설과 전문성을 보탰다.

칩이 화학 신호를 측정 가능한 신호로 바꾸는 방법

아세틸콜린은 칩의 전자장치가 측정할 수 있는 신호로 변환돼야 한다. 센서는 효소를 이용해 과산화수소를 생성하는 화학 반응을 일으킨다. 이후 전극이 반응 부산물을 전류로 변환한다.

감지층은 다공성 키토산과 매우 얇은 은·백금 나노와이어를 결합한다. 키토산은 새우나 게 같은 갑각류의 껍데기에서 얻을 수 있는 소재다. 작은 구멍이 많아 감지 효소가 달라붙을 수 있는 넓은 표면을 제공한다.

나노와이어는 반응 과정에서 생성된 과산화수소를 전기 신호로 바꾸는 데 도움을 준다. 다공성 소재와 전도성 와이어가 함께 작용해 뇌에서 일어난 화학 반응을 전자장치로 기록할 수 있는 측정값으로 연결한다.

뇌의 다른 분자들도 전극에서 신호를 만들 수 있다. 이러한 간섭을 줄이기 위해 얇은 탐침의 한쪽 전극에는 효소를 코팅하고, 반대쪽 전극에는 효소를 코팅하지 않았다.

시스템은 두 측정값을 비교해 공통으로 나타난 신호를 뺀다. 이를 통해 아세틸콜린과 관련된 변화와 배경 화학 활동을 구분할 수 있다. 그 결과로 얻은 측정값은 소형 회로를 거쳐 동물 밖으로 전송된다.

별도의 생쥐 실험에서 빛 자극 시험

칩에는 뇌 안에 빛을 전달할 수 있는 마이크로 발광다이오드, 즉 마이크로 LED도 들어 있다. 연구진은 KBRI의 수술 및 실험 지원을 받아 형질전환 생쥐를 대상으로 별도 실험에서 이 부품을 시험했다.

이 생쥐의 신경세포는 빛에 반응하도록 유전적으로 조작돼 있었다. 광유전학이라고 불리는 이 기법은 전기 자극에만 의존하지 않고 빛을 쬐어 선택한 세포를 활성화할 수 있게 한다.

연구진이 칩의 광원을 켜자 아세틸콜린 신호가 증가하는 것이 관찰됐다. 이는 같은 장치로 자극을 가하고 그에 따른 화학적 반응을 감지할 수 있음을 보여준다.

따라서 이번 연구는 서로 구분되는 두 단계의 실험으로 이뤄졌다. 미니돼지에서는 도네페질에 대한 반응을 추적했고, 유전자 조작 생쥐에서는 빛에 대한 반응을 추적했다. 두 실험은 통합 장치의 서로 다른 기능을 각각 시험했다.

뇌 측정값으로 다음 자극을 조정할 수 있을까?

장 교수와 동료 연구진은 감지와 자극을 결합한 기술을 폐쇄루프 신경 인터페이스의 출발점으로 보고 있다. 쉽게 말해 반응을 측정하고 그 결과를 바탕으로 다음에 무엇을 할지 결정하는 시스템이다.

향후 버전은 자극 후 화학적 변화를 감지한 뒤 다음 자극의 시점이나 강도를 조정할 수 있다. 센서와 광원을 하나의 장치에 넣으면 이 과정을 연구할 수 있다.

연구를 이끌고 논문의 교신저자를 맡은 KAIST 장 교수는 연구 목표를 다음과 같이 설명했다.

이번 연구는 뇌의 변화를 모니터링하고 뇌의 반응에 따라 자극을 조정하는 기술의 토대를 마련합니다,

이번 연구는 이 접근법의 실험적 기반을 제시한다. 변화하는 뇌 신호에 대응해 자극을 신뢰성 있게 선택하고 전달하는 시스템을 개발하려면 추가 시험이 필요하다.

약물 연구에 활용될 수 있는 방법

연구자들은 연속적인 아세틸콜린 기록을 이용해 약물 용량이나 투여 간격에 따라 어떤 차이가 나타나는지 비교할 수 있다. 신호가 증가했는지만 기록하는 대신, 언제 증가했는지, 어떻게 변했는지, 언제 처음 수준에 가까워졌는지 살펴볼 수 있다.

이러한 측정은 치료 일정과 특정 뇌 영역의 화학적 반응을 연결하는 데 도움이 될 수 있다. 연구자들은 약물의 작용을 조사할 때 행동 검사와 다른 측정값을 함께 고려할 수도 있다.

이번 연구에서는 장기간 이식할 때의 안전성과 시간에 따른 측정값의 안정성 등 향후 개발 과정에서 해결해야 할 실질적 과제가 남아 있다. 며칠 또는 몇 주 간격으로 진행한 실험을 비교하려면 센서가 비교에 유용할 만큼 일관되게 측정해야 한다.

알츠하이머병 환자에게 이번 기술은 당장 연구 도구다. 사람에게 사용하려면 추가 검증이 필요하며, 임상시험 일정은 발표되지 않았다.

논문, 협력 및 상용화

이번 연구에는 한국의 네 기관이 공학, 화학 감지, 동물 실험 분야에서 협력했다. DGIST의 손지은, 오세혁, 하정대 연구원이 공동 제1저자이며, 장 교수는 논문 관련 소통을 담당하는 교신저자를 맡았다.

논문 게재와 연구 발표 일정은 다음과 같다.

• 2026년 10월 14일: 디바이스가 이식형 칩과 동물 실험에 관한 연구를 게재했다.
• 2026년 10월 27일: KAIST가 연구 내용과 후속 개발 계획을 발표했다.

논문 제목은 “콜린성 약리 반응 모니터링을 위한 전기화학 감지 및 광유전학 자극 기능을 갖춘 이식형 신경 칩(Implantable neural chip with electrochemical sensing and optogenetic stimulation for monitoring of cholinergic pharmacological responses)”이다. DOI는 10.1016/j.device.2026.101329다. 제목에서 전기화학 감지는 화학 반응을 전기적 측정값으로 바꾸는 것을 뜻하며, 콜린성은 아세틸콜린이 관여하는 신호 전달을 가리킨다.

연구팀은 장 교수가 이끄는 교원 창업 기업인 엔사이드(N-Side Inc.)를 통해 상용화를 추진할 계획이다. 실험 장치를 신뢰할 수 있는 연구용 제품으로 개발하려면 실험실에서와 마찬가지로 안전한 이식과 안정적인 측정에 주의를 기울여야 한다.

핵심 내용

• KAIST 연구팀은 미니돼지에 도네페질을 투여한 뒤 이식형 무선 칩으로 아세틸콜린 신호를 추적했다.
• 신호는 치료 후 증가했다가 서서히 처음 수준으로 돌아갔다.
• 이 장치는 화학물질 감지, 소형 광원, 블루투스 전송 기능을 결합했다.
• 별도의 유전자 조작 생쥐 실험에서는 빛 자극 후 아세틸콜린 신호가 증가하는 것을 기록했다.
• 약물 반응 비교와 측정된 뇌 활동에 따라 조정되는 자극 기술 개발에 활용할 수 있다.
• 사람에게 사용하기 전 장기간 이식의 안전성과 측정 안정성을 추가로 시험해야 한다.