포스텍 연구팀, 3D기반의 뇌모델 개발…뇌질환 조기발견 및 정확한 치료효과 예측 기대

뇌 영역마다 다른 반응을 시각화한 최초의 연구

포스텍 조동우 교수

포스텍 장진아 교수

포스텍 배미현 박사

포스텍 김정주 박사

포스텍(포항공대) 조동우·장진아 교수, 배미현·김정주 박사 연구팀이 실제 사람 뇌와 유사하게 작동하는 3D 기반의 뇌 모델을 만들어내면서 뇌질환 치료 효과에 대한 보다 정확한 예측을 가능하게 했다.

알츠하이머나 파킨슨병 같은 뇌 질환은 한 번 발병하면 회복이 어렵기 때문에, 조기 발견과 예측이 무엇보다 중요하다.

하지만 수많은 세포가 복잡하면서도 정교하게 연결돼 있는 뇌는 서로 어떻게 신호를 주고받는지 여전히 알 수 없을 정도로 어려운 연구 영역이다.

이런 상황에서 인간의 뇌 반응을 정밀하게 재현할 수 있는 인공 뇌 모델이 있다면 관련 연구가 보다 속도를 낼 것이라는 게 학계의 기대다.

하지만 지금까지 사용된 평면적인 세포 배양 방식이나 줄기세포 기반 오가노이드(소형 장기 모사체)는 실제 뇌처럼 복잡한 구조와 기능을 구현하는 데 한계가 있어 정확한 연구결과를 도출하는데 어려움이 컸다.

이에 연구팀은 3D프린터를 활용해 집을 짓듯 뇌 구조를 층층이 쌓아올리는 방식으로 새로운 뇌 모델인 'BENN'을 구현해냈다.

BENN 모델은 실제 뇌처럼 '회백질'과 '백질'이라는 두 구역의 구조를 가진 게 특징이다. 회백질은 신경세포의 본체가 모여있고, 백질은 신경세포의 축삭들이 정렬돼 위치해 있다.

연구팀은 BENN 모델에서의 칼슘이온 움직임을 관찰한 결과 실제 뇌처럼 전기신호를 주고받는 것으로 나타났다.

더 나아가 연구팀은 BENN 모델을 활용해 알코올이 뇌에 미치는 영향도 실험했다.

음주수준인 0.03%의 에탄올 농도를 뇌 모델에 3주간 매일 적용한 결과 회백질 영역에서는 알츠하이머와 관련된 단백질이 증가했고, 백질 영역에서는 신경섬유가 휘거나 부풀어 오르는 변형이 포착됐다. 또 신경 신호의 흐름도 눈에 띄게 둔해졌다.

연구팀은 뇌의 영역마다 다르게 나타나는 알코올 유발 반응을 실시간 관찰하고 시각화한 것은 이번 연구가 처음이라고 설명했다.

포스텍 조동우 교수는 "이전 모델로는 관찰하기 어려웠던 신경 연결 상태나 전기 신호 반응까지 정밀하게 분석할 수 있게 됐다"며 "전임상 단계에서 질환을 조기에 확인하고 치료 효과를 정확히 예측하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다"고 했다.