인공 신경회로가 눈처럼 색을 구분했다

KIST, 눈와 뇌 모방한 신경회로를 연결
색·명암 구분하는 것을 현미경으로 포착

한국과학기술연구원(KIST)은 센서시스템연구센터 김재헌·박사팀과 뇌융합기술연구단 김홍남 박사팀이 인간의 눈과 시신경, 뇌를 모방해 인공 시각 신경회로를 만들었다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST)은 센서시스템연구센터 김재헌·박사팀과 뇌융합기술연구단 김홍남 박사팀이 인간의 눈처럼 색을 구분하는 인공 시각 신경회로를 개발했다고 17일 밝혔다. 이 장치는 3차원으로 조직화된 세포 덩어리인 신경 조직과 빛 자극을 감지하여 전기 신호로 변환하는 인공 광수용체를 체외에서 결합해 눈과 시신경, 뇌를 모방했다.

김재헌 박사는 "인공 광수용체의 시각신호 전달 가능성을 다각적으로 검증함으로써 동물실험 의존을 줄이고 연구비용을 절감할 수 있다"고 말했다. 다양한 망막 내 시각 세포들을 추가 생산해 망막층까지 묘사한 장치로 발전된다면, 이 장치로 실험해 시각 질환의 원인을 찾을 수 있다. 또한, 손상된 망막 층을 모방한 장치를 제작해 망막 질환 치료 기술을 테스트할 수 있는 키트로 활용할 수 있다.

김 박사는 "먼 미래에는 인간의 망막 내 세포들을 자유자재로 생산하고 세포층까지 만들어내 시각 손상이 심한 환자에게 이식을 통한 치료 기술을 제공할 수 있을 것"이라고 전망했다.

연구진은 신경세포의 기능성과 생존력을 높인 3차원으로 조직화된 생체 조직을 인공 광수용체 발현을 위한 플랫폼으로 이용했다. 이로써 세포 간 상호작용을 증대해 안정적으로 인공 광수용체 단백질을 만들어내는 데 성공했다. 기존 평면적 세포 배양법으로 광수용체 단백질을 주입했을 때 50% 이하의 신경세포들만 생존했다면, 신경 스페로이드를 활용하면 80% 이상의 높은 생존율을 가지게 된다.

연구진은 명암을 구분하는 로돕신과 색 구분을 위한 청색 옵신 단백질을 만들어내 각각 청색과 녹색에서 선택적 반응성을 가지는 세포 덩어리를 제작했다. 이 세포덩어리인 스페로이드는 사람의 눈이 인식하는 색과 동일한 파장에서 반응을 일으켰다.

이 후 눈을 모사한 광반응성 신경 스페로이드와 뇌를 모사한 일반 신경 스페로이드를 연결한 장치를 제작하고, 일반 스페로이드까지 신경전달이 확장되는 과정을 형광 현미경을 통해 포착하는 데 성공했다. 즉, 인간의 뇌가 어떤 과정에 의해 망막에서 발생한 신호를 다른 색으로 인지하는지 탐색이 가능한 시각신호 전달 모델을 만든 것이다.

한편, 연구진은 인공 시각 신경회로를 개발해 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 최근 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자