- 두 가지 이상의 세포를 나노패턴 정렬, 원하는 세포로 배양하는 플랫폼 개발 - 동물을 이용한 전임상 시험, 인공 장기로 대체하여 신약개발 프로세스 단축가능 국내 연구진이 특별한 전처리 없이도 줄기세포를 혈관 벽 세포, 골세포 등 원하는 형태의 세포로 분화시킬 수 있고, 전임상 시험을 위한 인공 장기 혹은 인공 피부, 심장 패치 등의 이식용 인공조직 제작에 활용할 수 있을 것으로 기대되는 기술을 개발하여 화제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 생체재료연구센터 정영미 박사 연구팀이 두 가지 이상의 세포를 한 번에 배양하여 우리 몸의 생체조직과 유사한 조직을 형성시킬 수 있는 새로운 다공성 박막 기반 세포 공배양(共培養) 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 신약 개발에 필요한 동물을 이용하는 전임상 시험을 대체하기 위해 인공 장기 등을 제작하는 방법 중 하나로 서로 다른 종류의 세포들을 함께 키우는 ‘세포 공배양법’이 있다. 우리 몸은 다양한 종류의 세포들로 구성되어있기 때문에 우리 몸의 생체조직을 보다 비슷하게 모사하기 위해서는 이러한 ‘세포 공배양법’이 필수적이며 실제 생체조직을 모사하기 위한 거의 모든 연구에서 이용되고 있는 방법 중 하나이다. 하지만 서로 다른 세포들을 단순히 섞어서 함께 키우면 성장이 빠른 세포에 의해 다른 세포들이 잠식되어 정상적으로 자랄 수 없게 되는 경우가 많다. 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 세포 배양 플랫폼 가운데 다공성 막을 사용하는 세포 공배양 플랫폼은 막의 두께가 비교적 두껍고, 막에 있는 구멍들의 밀집도가 낮아 세포 사이의 활발한 상호작용을 유도하지 못한다는 한계가 있었다. 또한 실제 세포가 자라는 체내 환경과는 다른 환경이 조성되기 때문에 이를 보완하기 위한 부수적인 처리가 필요했다. KIST 연구진은 이러한 한계점을 극복하고 기존의 막 보다 1/10 정도로 얇은 두께를 갖고, 구멍들의 밀집도를 높여 세포 간의 상호작용을 향상시킨 플랫폼을 개발했다. 개발한 공배양 플랫폼은 부드럽고 탄성이 있는 고분자 소재를 이용하고 박막의 신축성을 조절하여 세포외기질과 비슷한 표면 특성을 갖도록 하여 체내 환경과 유사한 환경을 세포들에게 제공해 줄 수 있다. 또한 혈관, 근육, 심장 등 우리 몸을 구성하는 조직들은 세포들이 특정 방향으로 정렬되어 있는 경우가 많은데 KIST 연구진이 개발한 플랫폼은 별도의 처리 없이도 박막의 신축성을 이용하여 기공이 정렬되고 나노 패턴이 형성되어 세포를 정렬시킬 수 있어서 생체조직을 배양하는 데 장점이 있다. 이 플랫폼을 이용하여 사람의 혈관 안쪽 면을 구성하는 혈관 내피세포와 혈관 벽을 구성하는 세포로 분화될 수 있는 줄기세포를 공배양한 결과, 상용화된 플랫폼에 비해 줄기세포가 혈관 벽 세포로 약 2.5배가량 더 많이 분화되었으며 혈관 내피세포들은 효과적으로 세포연접을 형성하여 우수한 혈관 장벽 기능을 보여주었다. KIST 정영미 박사는 “본 세포 공배양 플랫폼은 현재 상용화된 플랫폼에 비해 간단하면서도 효율적으로 세포를 배양할 수 있어서 제약회사, 병원 등 생물학적 평가가 요구되는 다양한 분야에서 동물실험을 대체할 수 있는 전임상 시험용 툴로 적용될 수 있어 효용 가능성이 클 것이라 기대된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 한국연구재단 나노·소재기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 기능성 재료 분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 16.836, JCR 분야 상위 3.981%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Use of Elastic, Porous, and Ultrathin Co-Culture Membranes to Control the Endothelial Barrier Function via Cell Alignment - (제 1저자) 한국과학기술연구원 류진 박사후연구원(現, Purdue University 박사후연구원) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김태희 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정영미 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 고탄성 생체적합성 고분자를 이용하여 정렬된 나노 패턴을 갖는 세포 공배양 플랫폼 제작과정을 보여주는 모식도 [그림 2] 개발된 세포 공배양 플랫폼에서 줄기세포의 분화 효율과 혈관벽 기능에 중요한 세포연접 형성 정도를 보여주는 결과

- 마이크로웨이브 가공법으로 미량의 Rk1과 Rg5를 증대시킨 홍삼 소재 개발 - 진세노사이드 Rk1과 Rg5, 폐암으로부터 전이되는 암을 효과적으로 차단 예로부터 한의학의 중요한 약재로 사용되어온 홍삼이 최근 들어서는 건강 기능성 소재로 주목받고 있다. 홍삼은 다양한 가공 방법에 따라 성분과 효능이 달라지는 특성이 있어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 국내 연구진이 홍삼이 폐암의 전이를 억제하는 효능이 있음을 규명해 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 강릉분원 천연물연구소 천연물소재연구센터 함정엽 박사팀이 서울아산병원 고현석 박사와 공동연구를 통해 홍삼에 함유된 성분(진세노사이드 : 인삼에 있는 화학적으로 배당체(配糖體: glycoside)라 부르는 화합물의 일종을 일컫는 말, 인삼(Ginseng) 배당체(Glycoside)란 의미로 '진세노사이드(Ginsenoside)'라 부른다. 진세노사이드)인 Rk1과 Rg5가 폐암의 전이를 효과적으로 억제함을 확인했다고 밝혔다. KIST 함정엽 박사는 9증9포 가공법 : 9번 찌고 말리는 한약재 가공법으로, 유효성분의 흡수를 증가시키고 식물의 독성을 경감시킨다. 9증9포 가공법 등의 기존 홍삼 가공 방법과는 달리 전자레인지와 같은 원리의 마이크로웨이브 가공법을 개발하여 홍삼의 주요 활성 성분인 Rg3, Rk1, Rg5를 기존 대비 20배 이상 증대시켰다. 연구진은 마이크로웨이브 가공법을 통해 제조된 홍삼인 KMxG에 대한 효능을 꾸준히 연구해온 결과 약물에 의해 손상된 신장의 보호 효과와 전립선암, 자궁경부암, 피부암 등에 효과가 있음을 밝혀낸 바 있다. 이 기술은 2020년 ㈜포닌바이오에 총액 기술료 8억 원으로 기술이전하여 현재 사업화를 준비하고 있다. 암세포는 원래의 조직에서 떨어져 나가면 일반적인 세포와는 달리 쉽게 죽지 않고 다른 조직으로 이동하여 다시 자리잡고 자라나게 된다. 신체 내에서 신호 물질로 사용되는 사이토카인 : 세포가 분비하는 저분자량의 단백질로 세포의 증식과 분화를 촉진하거나 억제하며, 그 외에 염증, 조혈, 암 성장 및 전이에도 관여함. 사이토카인 단백질의 일종인 ‘TGF-β1’은 위와 같은 현상과 암세포의 줄기세포화를 통해 폐암의 전이를 유도하는 것으로 알려졌다. KIST 연구진은 KMxG 홍삼에 풍부한 Rk1과 Rg5 성분을 각각 ‘TGF-β1’과 동시에 폐암 세포에 처리한 결과, 두 성분 모두 TGF-β1에 의한 다양한 폐암 세포의 이동, 침윤 및 미부착 세포의 사멸 현상(anoikis)에 대한 저항성 등 암 전이 과정들이 효과적으로 억제되는 것을 확인하였다. KIST 함정엽 박사는 “홍삼의 성분이 암세포를 사멸시키는 것은 알려져 있지만, 이번 연구를 통해 암의 전이 또한 억제하여 폐암관련 항암 효과를 증대시킬 수 있음을 입증한 것으로, 추후 천연물 유래 항암제 개발로 이어질 수 있는 과학적인 근거를 제시한 것이다.”라며, “마이크로웨이브 제조 방법으로 개발한 KMxG는 가공조건에 따라서 홍삼 유효성분의 함량을 조절할 수 있어 다양한 질환의 맞춤형 기능성 소재를 개발할 수 있다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 산업통상자원부(장관 성윤모) 나노융합산업핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 인삼 연구 분야 국제학술지인 「Journal of Ginseng Research」 (JCR 분야 상위 1.786%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Ginsenosides Rk1 and Rg5 inhibit transforming growth factor-β1-induced epithelial-mesenchymal transition and suppress migration, invasion, anoikis resistance, and development of stem-like features in lung cancer - (제 1저자) 아산병원 김현희 박사과정 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 최필주 박사후연구원 - (교신저자) 아산병원 고현석 박사(現,에이치엘비생명과학 주식회사) - (교신저자) 한국과학기술연구원 함정엽 책임연구원 <그림설명> <span style="font-family: 나눔고딕코딩, NanumGothicCoding, sans-serif; font-size: 14pt;" 나눔고딕",nanumgothic,sans-serif;="" font-size:="" 10pt;"=""> [그림 1] 마이크로웨이브 가공법을 통해 제조한 KMxG 홍삼 <span style="font-family: " 나눔고딕",nanumgothic,sans-serif;="" font-size:="" 10pt;"=""> [그림 2] 인삼의 마이크로웨이브 가공에 의한 KMxG 함유 진세노사이드 변화 <span style="font-family: " 나눔고딕",nanumgothic,sans-serif;="" font-size:="" 10pt;"=""> [그림 3] 진세노사이드 Rk1과 Rg5에 의한 폐암 전이 억제 모식도

- 원하는 모양의 전극을 실에 말아 섬유형 광전자소자 성능 향상 - 섬유형 광다이오드를 천에 삽입하여 손 끝에서 심박수 측정 가능 입을 수 있는 소자(웨어러블 디바이스)의 발전과 더불어 가볍고 편안한 섬유와 스마트 전자소자를 융합한 전자섬유(E-textile) 기술이 차세대 신기술로 주목받고 있다. 특히 섬유 고유의 특성을 유지하면서 전기적 특성을 가지는 섬유형 전자소자(Fiber electronic device)는 전자섬유를 구현하기 위한 핵심 소자 중 하나이다. 일반적으로 반도체와 전극, 절연막 등의 층으로 구성된 광전자소자는 전극의 크기와 구조에 따라 소자의 성능이 크게 달라진다. 섬유형 전자소자를 만들기 위해서는 쉽게 휘어지는 데다가 얇은 실 위에 소자를 형성시켜야 하기 때문에 소자의 크기를 마이크로미터 단위인 실의 두께보다 크게 만들 수 없어 소자의 성능을 향상시키는데 한계가 있었다. 이런 가운데, 국내 연구진이 이러한 한계를 뛰어넘어 성능을 향상시키는 기술을 개발해 화제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 차세대반도체연구소 이현정 박사, 임정아 박사 연구팀은 원하는 전극을 잉크젯 프린터로 프린팅하여 제작하고 그 위에 반도체가 코팅된 전극 실을 굴려주기만 하면, 원하는 전극 구조가 돌돌 말려져있는 트랜지스터, 광다이오드와 같은 섬유형 전자소자를 제작할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이현정 박사 연구팀은 2019년 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube) 잉크를 물을 머금고 있는 고분자인 하이드로젤 기판에 프린트한 후 전사 (transfer) 하여 원하는 표면에 전극을 구성할 수 있는 기술을 개발한 바 있다.(Nano Letters 2019, 19, 3684-3691) 하이드로젤 위에 프린팅된 CNT 전극은 마치 물에 떠 있는 것과 같아 그 위에 섬유를 굴리면 전극구조의 손상 없이 쉽게 섬유의 표면으로 옮겨질 수 있을 것이라 예상하고 임정아 박사 연구팀과 함께 연구한 결과 실제 반도체층과 CNT 전극의 손상 없이 고성능 섬유형 소자를 제작해냈다. 개발한 CNT 전극이 감싸진 섬유형 트랜지스터는 1.75mm 구부림 반경까지 크게 구부려도 80% 이상의 성능이 안정적으로 유지되었다. 또한 CNT 전극의 반투명한 특성을 활용, 빛을 흡수하여 전류를 발생시킬 수 있는 반도체층이 코팅된 전극 실을 CNT 전극으로 감싸 빛을 감지할 수 있는 섬유형 광다이오드를 제작하는데 성공하였다. 제작된 섬유형 광다이오드는 넓은 가시광선 영역의 빛을 감지할 수 있으며 평면형 소자에 뒤떨어지지 않는 우수한 감도를 보였다. 연구팀이 개발한 섬유형 광다이오드를 LED 소자와 함께 천에 삽입하여 장갑처럼 끼면, 손끝에서 흐르는 혈액양의 변화에 따라 바뀌는 LED 빛의 반사 세기를 섬유형 광다이오드가 감지하여 사용자의 맥박을 측정 빛을 혈관에 비춰 혈액의 양에 다라 달라지는 빛의 세기를 광센서를 이용하여 측정하는 심장박동 측정 방법인 광혈류측정(photoplethysmogram; PPG)을 활용함할 수 있었다. KIST 임정아 박사는 “개발한 손가락장갑형 심박수 측정기는 집게형 심박수 측정기를 대체하여 편안하고 부드러운 느낌으로 측정자에게 쉽게 다가갈 수 있으며, 언제나 어디서나 실시간으로 심박수를 측정할 수 있는 장점이 있다.”라고 말했다. 공동 연구책임자인 이현정 박사는 “이번 연구는 섬유형 소자 개발에 있어 과제로 남아있는 전극 형성 기술에 대한 새로운 접근법을 제시하는 것으로, 섬유형 광전자소자의 성능 향상에서부터 복잡한 회로를 가지는 섬유형 전자소자의 개발을 앞당길 수 있을 것이라 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 아래 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견후속연구 및 나노소재원천기술개발사업으로 수행되었으며, 나노소재 분야의 국제학술지 ‘ACS Nano’ (IF: 14.588, JCR 분야 상위 5.255%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Spirally Wrapped Carbon Nanotube Microelectrodes for Fiber Optoelectronic Devices beyond Geometrical Limitations toward Smart Wearable E Textile Applications - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김형준 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 강태형 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이현정 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 임정아 책임연구원 <그림설명> [그림 1] CNT 전극 전사를 통한 인체 신호 모니터링용 광전소자 구현 전략에 관한 모식도 전극을 하이드로젤에 프린팅하고 섬유를 전극 위로 굴려서 전극이 전사된 모습(왼쪽), 전사 공정을 통해 제작한 광다이오드를 섬유에 삽입하여 손 끝에서 광혈류측정에 응용되는 모식도와 실제 심박 측정 특성(오른쪽). [그림 2] (a) 본 연구진이 개발한 섬유형 소자 구현을 위한 CNT 전극 전사 공정 (b) 본 연구진이 개발한 기술을 이용하여 원하는 크기의 전극이 실을 감싸서 전사된 사진 [그림 3] (a) 본 연구진이 구현한 섬유형 트랜지스터의 소자 구조, 사용된 물질의 분자구조와 각 구성 요소에 대한 명명 (b) CNT 전극이 전사된 섬유형 트랜지스터의 모습을 보여주는 사진(왼쪽), CNT 전극과 유기반도체 채널 모습을 보여주는 주사현미경 사진(오른쪽) (c) 전극을 전사하는 길이에 따라 채널 폭을 순차적으로 증가시켰을 때 섬유형 트랜지스터의 출력특성(output curve) 비교 그래프 (d) 채널 폭이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 전류 그래프 (e) 소자를 구부렸을 때 섬유형 트랜지스터의 전달특성(transfer curve) 그래프 diF-TESADT: 본 연구에서 사용한 단분자 유기 반도체, 2,8-Difluoro-5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene PMMA : 본 연구에서 사용한 절연성 고분자, Poly(methacrylic acid methyl ester) [그림 4] (a) 본 연구진이 구현한 섬유형 광다이오드의 소자 구조, 사용된 물질의 분자구조와 각 구성 요소에 대한 명명 (b) 광 활성층의 광흡수 스펙트럼과 제작한 소자의 에너지 밴드 다이어그램 (c) 638nm 파장대 빛의 세기별 제작한 소자의 전류밀도-전압 특성 (d) 인체 신호를 모니터링 하기 위해 제작한 소자를 섬유에 삽입하고 LED와 함께 광혈류측정을 할 수 있음을 보여주는 사진 (e) 투과 및 반사된 서로 다른 두 파장대의 빛을 섬유에 삽입된 소자로 확인한 광혈류측정(PPG) 데이터 PTB7-Th : 본 연구에서 사용한 p-type 반도체 donor 물질, Poly([2,6′-4,8-di(5-ethylhexylthienyl)benzo[1,2-b;3,3-b]dithiophene]{3-fluoro-2[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl}) PC71BM : 본 연구에서 사용한 n-type 반도체 acceptor 물질, [6,6]-Phenyl C71 butyric acid methyl ester PPG : 빛을 활용하여 맥파를 측정하는 광혈류측정, photoplethysmogram

- 박막 증착 기술로 니켈 촉매 나노구조화 및 기존 대비 함량 1/20 저감 성공 - 니켈의 산화-환원 파괴를 억제, 세라믹 연료전지의 안정성과 고성능 모두 확보 국내 연구진이 촉매량은 1/20로 줄이면서 안정성과 고성능을 모두 확보한 세라믹 연료전지를 개발하였다. 이에 따라 잦은 시동이 어려운 탓에 대형 발전용으로만 활용이 가능했던 세라믹 연료전지의 응용 범위가 새로운 분야로 확대될 수 있을 것으로 기대된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지소재연구단 손지원 박사팀이 한국과학기술원(KAIST, 총장 신성철) 한승민 교수와 공동연구를 통해 박막 기술을 이용하여 수소연료가 주입되는 전극인 연료극의 니켈 촉매의 양과 크기를 대폭 줄임으로써 세라믹 연료전지 파괴의 주요한 원인인 산화-환원 사이클에 따른 파괴를 억제한 신개념 기술을 개발했다고 밝혔다. 고온형 연료전지의 대표 격인 세라믹 연료전지는 통상 800℃ 이상의 고온 작동이 특징이다. 이 덕분에 활성도가 높아, 저온형 연료전지인 고분자전해질 연료전지가 고가의 고활성 백금 촉매를 사용하는 것과 달리, 니켈과 같은 저렴한 촉매를 사용할 수 있다. 하지만, 연료극의 약 부피 기준 40%를 구성하는 니켈이 고온의 작동조건에서 서로 만나 응집된 후 반복적인 정지-재가동으로 인한 산화와 환원 과정에 노출되면, 니켈이 팽창, 수축하여 세라믹 연료전지 전체 구조의 파괴로 이어져 여러 차례 재가동할 수 없는 치명적인 단점은 세라믹 연료전지를 대형 발전 외의 용도로는 사용하기 어렵게 했다. KIST 손지원 박사팀은 이런 문제를 연료극의 니켈 입자가 서로 만나 응집하지 않도록 니켈 함량을 기존 연료극 대비 1/20 수준인 2%까지 줄인 신개념 연료전지를 개발하였다. 니켈 촉매 크기를 나노미터 수준으로 작게 만들어 표면적을 키워 촉매 함량이 줄어든 것을 보완하고, 박막 공정을 통해 크기와 함량이 아주 작은 촉매를 연료극 박막층에 고르게 분포시켜 니켈 입자가 서로 만나 응집하지 못하도록 했다. 이렇게 개발된 신개념 연료극을 연료전지에 적용하여 운전한 결과, 20회 미만의 산화-환원 사이클에도 파괴되던 기존 세라믹 연료전지보다 5배 이상 안정적인 100회를 넘는 사이클에도 전극의 파괴나 성능의 저하가 없었다. 더욱이 니켈 함량의 감소로 우려되었던 세라믹 연료전지의 성능은 니켈 입자의 나노화로 오히려 기존 기술 대비 1.5배가량 향상되어 안정성과 성능 모두 획기적인 진전을 얻었다. 손지원 박사는 “이번 연구 결과는 세라믹 연료전지 파괴의 주요 원인인 연료극의 니켈 응집과 산화-환원에 따른 파괴를 효과적으로 억제할 수 있는 신개념 전극구조를 디자인하고 제작-평가까지 체계적으로 연구한 것”이라며 “세라믹 연료전지의 안정성과 성능을 동시에 획득하여 작동수명을 향상시키고 다양한 수송 및 이동용 연료전지로 응용 범위를 확장할 가능성을 확인했다”라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 글로벌프론티어사업, 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 연구결과는 금속재료공학 분야의 최상위 국제학술지 ‘Acta Materialia’ (IF : 7.656, JCR 분야 상위 : 0.633%)에 게재되었다. * (논문명) A nanoarchitectured cermet composite with extremely low Ni content for stable high-performance solid oxide fuel cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박정훈 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손지원 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술원 한승민 교수 <그림설명> [그림 1] 세라믹 연료전지의 산화-환원 사이클 개념도와 이에 따른 신개념 대 기존 연료극의 열화율 비교 [그림 2] 신개념 低니켈함량 연료극(왼쪽)과 기존 高니켈함량 연료극(오른쪽)의 산화-환원 사이클 후 미세구조 비교. 신개념 연료극은 초기 구조가 유지되었으나, 기존 연료극에서는 니켈이 크게 뭉치고 기저상이 파괴된 상태를 확인할 수 있다. [그림 3] 신개념 低니켈함량 연료극과 기존 高니켈함량 연료극을 사용한 박막 SOFC의 출력성능 비교

- 단순·복잡 유형별 동물실험으로 장소세포의 변화상 관측 - 알츠하이머·기억상실 등 뇌질환 치료, AI 고도화 새로운 방향 제시 우리가 길을 찾거나 특별한 장소를 기억하는 것은 뇌 속 어딘가 GPS와 네비게이션 기능을 하는 영역이 존재하기 때문이다. 처음 가는 곳은 경로상의 지형지물에 촉각을 곤두세우지만, 차츰 별다른 신경을 쓰지 않고도 쉽게 찾아가는 것 역시 이런 위치추적 시스템 덕분이다. 과학자들은 그간 다양한 포유류 실험을 통해 뇌 속 해마의 장소세포가 공간 지각능력을 담당한다는 사실을 알게 됐다. 하지만 위치와 공간의 장기기억을 형성하고 저장하는 장소세포가 특정 장소에서 어떻게 활성화되는지는 밝혀진 바가 없었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 뇌과학연구소 세바스쳔 로열 박사팀이 해마의 장소세포가 장소에 대한 정보를 마치 바코드(bar code)처럼 빈도코드(rate code)와 위상코드(phase code)를 이용하여 저장한다는 사실을 발견했다. 또한, 경로상의 지형비물이 복잡한지 단순한지에 따라 장소세포의 활성화 영역과 사용전략이 달라지는 병렬적 정보처리 메커니즘을 갖고 있음을 규명했다고 밝혔다. KIST 연구진은 두 가지 유형의 공간 실험을 통해 해마의 장기기억 형성과 활성화 기초 원리를 확인했다. 첫 번째로 공간훈련 장치인 트레드밀의 긴 벨트에 빈 구간과 작은 물체들이 산재한 구간을 만들어 쥐가 순차적으로 달리도록 훈련했고, 두 번째는 원형의 통에 물체들을 배치하거나 완전히 비우는 방식으로 진행됐다. 그동안 공간 기억 형성에 중요한 역할을 한다고 추측되지만, 구체적인 기능을 파악하지 못하고 있던 해마의 소영역인 CA1 과 CA3에 실리콘 탐침 전극을 심어 신경세포의 활성도를 분석했다. 두 실험에서 유사한 결과를 얻을 수 있었는데 해마는 공간·위치·물체의 상황과 환경 조건에 따라 서로 다른 뇌 영역과 별개의 입력장치 및 정보처리 전략을 사용하고 있는 것이 관찰됐다. 물체가 없는 단순한 환경에서는 CA1 표면에서 하나의 신경세포가 활동전위를 발동시키는 빈도수를 공간과 위치정보와 매칭하여 저장하는 ‘빈도코드(rate code)’를 사용하는 세포 집단이 활성화되는 경향이 나타났다. 반대로 물체가 많은 복잡한 환경에서는 CA1 심층부의 활성도가 높아지면서 정보처리에 여러 신경세포들 사이의 시간간격들을 함께 저장하는 위상코드(phase code)가 주로 활용되는 것이 관측됐다. 이는 포괄적인 위치와 공간 감각을 제공해야 할 때는 빈도코드가, 물체의 정확한 위치 및 공간과의 관계를 기억하는 데는 위상코드가 더 많이 연관되어 있음을 시사한다. 이와 함께 CA3 영역의 기능도 파악됐다. CA3는 내후각 피질과 함께 CA1에 정보를 입력하는 역할을 하는 것으로 예상되고 있었는데, 이번 연구를 통해 단순한 환경에서는 주로 CA3가, 복잡한 환경에서는 내후각 피질 영역이 CA1에 정보를 제공하고 있었음을 알게된 것이다. KIST 세바스쳔 로열 박사는 “이번 연구를 통해 해마가 어떻게 정보를 처리하는지를 이해할 수 있으며, 이것은 기억의 기초 원리를 보다 심층적으로 밝히는 토대가 될 것”이라며 “알츠하이머성 치매, 기억상실, 인지장애 같은 해마 손상 관련 뇌질환을 치료 및 진단하는 기술과 함께 생물학적 데이터 기반의 인공지능 발전에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 한편, 세바스쳔 로열 박사팀은 다양한 실험을 통해 기억 관련 뇌 영역의 정보 획득 및 분석 방식에 대한 이해를 단계적으로 확장해가고 있다. 지난해 10월에는 해마 속 과립세포(granule cell)가 이끼세포(mossy cell) 등 다양한 신경 네트워크를 통해 장소를 학습하며 장소세포로 변하는 과정을 마우스 실험과 시뮬레이션으로 규명한 바 있다.(Nature Communications volume 11, Article number: 4550 (2020)) 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원으로 KIST 주요사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지인 ‘Neuron’(IF : 14.415, JCR분야 상위 2.022%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Subcircuits of Deep and Superficial CA1 Place Cells Support Efficient Spatial Coding across Heterogeneous Environments - (제 1저자) 한국과학기술연구원 Farnaz Sharif 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 Sebastien Royer 책임연구원 - (교신저자) New York University Antonio Fernandez-Ruiz 박사 <그림설명> [그림 1] 해마 영역 세포 CA1의 빈도 및 위상 코드 사용 여부를 확인하기 위한 트레드밀 실험 [그림 2] 물체를 완전히 비우거나(좌) 배치한(우) 원형의 통을 이동할 때 CA1 장소세포의 활성 정도 [그림 3] 트레드밀 실험 중 세포 활동 기록. 물체가 풍부한 환경은 위상 코드를 통해 깊은 층의 CA1 세포 집단에 의해 부호화되고, 비어 있는 환경은 빈도 코드를 통해 표피 상의 CA1 세포 집단에 의해 부호화되는 경향이 나타난다.

- 뇌활동과 행동을 동시에 관찰할 수 있는 새로운 개념 제시 - 외부 공격에 대한 집단방어 행동의 뇌과학적 원인 발견 개미나 꿀벌, 새나 물고기 등은 개체로서 행동할 때와는 달리 집단으로서는 커다란 힘을 발휘하는 것으로 보인다. 이 같은 동물들의 집단지능의 원리는 뇌과학 분야의 풀리지 않는 난제로 남아있다. 국내 연구진이 이러한 군집 뇌 연구를 위한 새로운 시스템을 선보여 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 뇌과학연구소 최지현 박사 연구팀이 한국전자통신연구원(ETRI, 원장 김명준) 지능형센서연구실 이성규 박사와의 공동연구를 통해, 무리 생활을 하는 동물들의 뇌를 눈으로 보고 분석할 수 있는 시스템을 개발했다고 밝혔다. KIST-ETRI 공동연구진은 뇌신호를 실시간으로 감지하여 빛의 반짝임으로 나타내는 프로세서와 LED가 집적화된 실시간 무선 뇌파 측정, 분석시스템인 CBRAIN (Collective Brain Research aided by Illuminating Neural activity) 시스템을 개발했다. See-Brain이라고도 읽을 수 있는 이 시스템은 반딧불이 무리가 동시다발적으로 반짝거리는 모습에서 영감을 얻어 탄생했는데, 뇌 신호를 실시간으로 감지하여 반딧불이처럼 LED 불빛을 반짝이게 하고 이를 통하여 뇌 활동을 생중계하여 동물들의 감정과 생각을 눈으로 볼 수 있게 했다. 최지현 박사팀은 CBRAIN을 활용하여 생쥐 무리가 자기 몸집보다 큰 거미 모양 로봇에 대항하는 모습에서 위협 상황에서 발현되는 집단의 행동을 연구했다. 공포 감정을 조절하는 뇌의 한 부분인 기저측편도체(Basolateral amygdala)에서 발생하는 경계신호를 찾아 이 신호에 빛을 깜빡이도록 한 후 거미 로봇의 공격에 혼자 대항할 때와 동료들과 같이 대항할 때의 차이를 딥러닝 등을 활용해 분석했다. 실험 결과, 거미 로봇을 우리에 넣는 순간 쥐들에게 부착된 CBRAIN 시스템의 LED가 동시다발적으로 점등되었는데, 8마리의 쥐가 무리 지어 있으면 1마리만 있을 때보다 경계신호의 발생 빈도가 감소한 것을 볼 수 있었다. 또한, 무리 바깥쪽의 생쥐들에게는 강한 경계신호가 나타나는 반면 무리의 안쪽 생쥐에게는 평온한 때와 차이가 없는 경계신호가 관찰되었다. 동료와 같이 있으면 경계신호가 줄고 긴장이 누그러지는 사회적 완충 효과가 일어나는데, 이는 집단 전체의 효율적 방어를 위한 역할 분담으로 해석된다. 김지수 학생연구원은 “거미 로봇을 우리에 넣는 순간 크리스마스 트리처럼 불이 점등되었을 때의 충격은 이루 말할 수 없었고, 이 불빛에 매료되어 유학 계획을 미루고 KIST에 진학하게 되었다.”라고 말했다. KIST 최지현 책임연구원은 “CBRAIN 시스템은 뇌신호를 빛의 반짝임으로 나타내기 때문에 뇌과학자뿐만 아니라 생태학, 통계학, 인공지능 등 다양한 분야의 연구자들이 직접적으로 활용할 수 있어 타분야 연구 성과에도 기여할 수 있을 것”이라며, “CBRAIN을 인간의 사회적 뇌 연구에도 적용하여 사회성 연구 및 관련 뇌 질환 치료에 활용하고, 아직 풀리지 않은 난제 중 하나인 집단지능의 원리를 밝힐 계획”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 국가과학기술연구회 선행융합연구사업, 한국연구재단 중견연구자사업, KIST 주요사업, ETRI 주요사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 ’Science Advances’ (IF: 13.12) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) A bird’s eye view of brain activity in socially interacting mice through mobile edge computing - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지수 학생연구원 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 최지현 책임연구원 - (제 1저자, 교신저자) 한국전자통신연구원 이성규 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 군집 생쥐들의 뇌 활동 모니터링 시스템 CBRAIN 개괄 [그림 2] 위협 인자에 대한 생쥐의 행동과 편도체에서 발생하는 감마파의 발생 여부를 동시에 관찰함

- 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 과산화수소 생산 촉매 개발, 선택성 95%↑ - 백금-금 합금 촉매 개발, 수소와 산소만으로 상온/상압에서 과산화수소 생산 <span style="color: rgb(0, 0, 0); font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"=""><span style="font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"="">과산화수소는 물에 희석하여 상처를 치료하는 소독제로 사용되기도 하고, 반도체의 불순물 제거, 폐수 처리제 등 친환경 산화제로 산업 전반에서 폭넓게 사용되고 있다. 하지만, 생산 공정에서 독성 물질(안트라퀴논계)이 사용되고, 대규모의 설비가 필요해 제한된 장소에서만 생산할 수 있다는 문제가 있었다. 이를 해결하고자 팔라듐(Pd) 촉매를 이용하여 수소(H2)와 산소(O2)를 반응시켜 과산화수소를 생산하는 기술이 개발됐지만, 팔라듐 촉매의 경우 최대 40%의 과산화수소와 60%의 물이 생성된다. 이 과정에 과산화수소(H2O2)보다 물(H2O)이 더 많이 형성되어 상용화에 걸림돌이 되어왔다. <span style="font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"="">한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 계산과학연구센터 한상수, 김동훈 박사, 물질구조제어연구센터 이승용 박사, 고려대학교(고려대, 총장 정진택) 이관영 교수 공동연구팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 과산화수소 생산용 백금-금 합금 촉매를 개발했다고 밝혔다. 이 촉매를 사용하면 팔라듐 촉매를 사용할 경우 30~40%에 불과했던 과산화수소 선택성을 95%까지 올려 물은 소량만 생산하고 대부분 과산화수소를 생산할 수 있다. <span style="font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"="">KIST-고려대학교 공동연구팀은 원소 조합에 의해 발현되는 물성을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이론적으로 예측하는 방법을 통해 연구한 결과, 기존의 팔라듐을 사용하지 않는 새로운 형태의 백금(Pt)-금(Au) 합금계 나노입자 촉매를 개발했다. 본래 백금과 금은 서로 잘 섞이지 않기 때문에 둘을 합쳐 촉매를 제작하기 어려웠는데 연구진은 합금을 형성하지 않는 백금과 금을 각각 원소의 전구체를 섞은 후 환원시켜 강제로 합금 형태의 나노입자를 성공적으로 합성했다. 이 방식을 활용하면 백금과 금의 전구체 양을 조절하여 입자의 함량을 제어할 수도 있었다. <span style="font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"="">연구진이 개발한 촉매를 활용하면 수소 가스와 산소 가스를 수용액에 주입하기만 하면 어디에서나 대형설비 없이도 과산화수소를 생산할 수 있다. 특히, 팔라듐 촉매와 달리 공동연구진이 개발한 촉매는 상온(10˚C), 상압(1기압) 조건에서도 최대 95%까지 과산화수소를 생성할 수 있다. 또한, 8시간 이상의 촉매 반응에도 백금-금 합금 형태가 잘 유지되면서 생산 능력에 저하도 없는 구조적 안정성을 확보했다. <span style="font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"="">연구진은 추가적인 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 일반적인 소재 분석 기술로는 알기 힘든 백금-금 합금계 나노입자의 결정 구조를 명확하게 제시하였다. 더 나아가 금의 함량이 증가함에 따른 과산화수소 생산 능력의 변화를 원자 수준에서 예측할 수 있는 메커니즘을 함께 제시하였다. <span style="font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"="">KIST 한상수 센터장은 “개발된 기술은 장소의 제약 없는 친환경 과산화수소 생산 기술로, 팔라듐 촉매의 한계인 낮은 선택성을 극복하여 상용화를 대폭 앞당겼다는 데에 의의가 있다.”라며, “시행착오를 통해 연구해 나가는 분야인 촉매 소재 개발을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있었다.”라고 밝혔다. <span style="font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"="">본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원으로 한국연구재단 미래소재디스커버리사업 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제저널인 ‘Acta Materialia’(IF: 7.656, JCR 분야 상위 0.633%) 최신 호에 게재되었다. <span style="font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"="">* (논문명) Solid-Solution Alloying of Immiscible Pt and Au Boosts Catalytic Performance for H2O2 Direct Synthesis - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이홍우 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 남효빈 학생연구원 - (제 1저자) 고려대학교 한근호 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김동훈 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이승용 책임연구원 - (교신저자) 고려대학교 이관영 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 한상수 센터장 <span style="color: rgb(0, 0, 0); font-family: 나눔고딕코딩, NanumGothicCoding, sans-serif; font-size: 14pt;" 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"=""> <span style="color: rgb(0, 0, 0); font-family: 나눔고딕코딩, NanumGothicCoding, sans-serif; font-size: 14pt;" 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"=""><그림설명> <span style="font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"="">[그림1] 금-백금 나노입자 합성 모식도 (좌) 및 촉매 성능 평가 (우) <span style="font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;="" font-size:="" 14pt;"="">[그림2] 계산과학을 통해 입증된 금-백금 나노입자 촉매의 H2O2 생산 메커니즘 <span style="font-family: " 나눔고딕코딩",nanumgothiccoding,sans-serif;"="">

- 비침습적 전자약으로 자궁 수축신호 감지하여 조산 조기진단 - 자율신경을 조절하는 전기신호로 자궁 수축을 억제해 조산 방지 조산은 전체 임신의 12.7%를 차지하고 있으며, 전체 출산율은 감소하는데, 조산으로 인한 ‘이른둥이’의 발생 비율은 7년 연속 증가하고 있다. ‘이른둥이’는 신생아 사망의 절반을 차지할 뿐 아니라, 신경학적 장애와 같은 합병증으로, 발달장애, 호흡기 합병증 등 영아가 추후 장애를 갖게 되는 경우가 많다. 현재까지 조산은 임산부가 본인 스스로 신체적인 이상을 감지하거나 정기적 초음파 측정, 질내 체액 측정 등의 검사를 받아야만 진단할 수 있지만, 조기진단이 어렵고 자궁수축억제제와 같은 부작용이 우려되는 화학적 치료제의 투입 외에는 다른 치료 방법이 많지 않은 실정이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 뇌과학연구소 이수현 박사 연구팀이 고려대학교 안암병원(원장 박종훈) 산부인과 안기훈 교수팀과의 공동연구를 통해 조산을 조기에 진단하고, 동시에 치료할 수 있는 비침습형 전자약(Electroceutical 개발했다고 밝혔다. 일반적으로 조산은 자연적인 조기 진통, 조기 양막 파수 등 다양한 원인에 의한 것으로 알려져 있지만, 자궁이 불규칙적으로 수축하는 증상이 공통적으로 나타난다. KIST 연구진은 도넛 모양의 신경전극을 개발해 임산부의 자궁경부에 비침습적으로 삽입한 후, 자궁 수축신호를 실시간으로 감지하여 조산을 조기에 진단할 수 있게 했다. 뿐만 아니라, 개발한 신경전극은 자궁의 수축신호를 감지한 후 교감신경을 자극하는 전기신호를 발생시킬 수 있어서 교감신경의 자극을 받으면 자궁 내 근육이 이완되어 자궁의 수축을 억제할 수 있는 전자약으로 기능할 수 있다. 연구팀은 이 전자약을 조산 쥐와 돼지 모델에서 진단에서부터 치료까지 그 안전성 및 기능을 검증한 결과, 전자약을 통해 발생시킨 전기자극으로 자궁 수축 현상을 지연 및 억제할 수 있음을 확인하였다. 고려대학교 안암병원 산부인과 안기훈 교수는 "전 세계적으로 자궁수축억제에 대한 신약 개발이 활발히 진행되어왔지만, 미미한 효과와 부작용 때문에 새로운 기전으로 작용하는 의료기기에 대한 임상적 필요성 때문에 개발을 진행하였다."라며 "이번에 개발된 최초의 자궁수축조절 의료기기를 통해 조산으로 인한 영아 사망 및 후유증을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대한다."라고 밝혔다. KIST 이수현 박사는 “개발된 도넛 형태의 전자약은 기존의 화학적 약물 기반의 치료법이 아닌 전기자극을 이용하여 자궁의 수축을 억제하는 치료기기로서 신개념의 의료기술로 발전할 가능성이 있다.”라고 말하며, “KIST와 고려대 안암병원의 중개연구센터 사업으로 시작된 본 연구는 향후 범부처의료기기 사업과 같은 정부 지원을 받아 임상 연구를 추진할 계획이다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST와 고려대안암병원 중계연구센터(TRC- Translational Research Center)으로 수행되었으며, 연구 결과는 전기전자 분야 국제학술지인 ‘IEEE-Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering’ 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Non-invasive Ring Electrode with a Wireless Electrical Recording and Stimulating System for Monitoring Preterm Labor - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이이재 선임연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이창혁 선임연구원 - (교신저자) 고려대학교 안암병원 안기훈 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이수현 책임연구원？ <그림설명> [그림 1] 도넛 형태의 (Ring type) 전자약의 개념도 (기록용/자극용 전극 및 mini board) [그림 2] 제작된 도넛 형태의 전자약 이미지 [그림 3] 임신한 돼지의 자궁경부에 삽입된 전자약을 이용한 무선 자궁 수축신호 기록 및 전기자극을 통한 자궁 수축 지연/억제 실험 개념도 전자약에 연결된 송신기를 돼지의 등에 별도로 부착하여 자궁 수축 신호를 측정 [그림 4] 개발된 전자약을 통한 자궁 수축 개선을 보여주는 그래프 - 왼쪽 그래프 A, B: 자궁 수축을 유도하는 약물을 (Oxytocin, PGF2-a) 주입한 후, 기록용 전극을 통해서 자궁 수축을 감지하고 자극용 전극을 통해서 전기자극을 주는 동안 수축이 억제 및 지연되는 것을 확인함 - 오른쪽 그래프 A, B: 임신한 돼지의 출산 예정 당일, 전자약을 통해서 자궁 수축을 감지하고 전기자극을 주는 동안 자궁 수축신호가 억제 및 지연되는 것을 확인함

- 전립선암의 여러 인자를 인공지능으로 분석해 암의 고정밀 진단 성공 - 소변을 활용한 다른 암 종의 정밀 진단에 활용 가능 전립선암은 남성 암 중 가장 많이 발생하는 암 중 하나이다. 기존에는 혈액검사를 통해 일차적인 전립선암 여부를 판별하고 있다. 하지만 진단의 정확도가 30%에 불과해 많은 환자들이 혈액검사 후 침습적인 조직검사를 받아야 하고, 그에 따른 출혈과 고통 등의 부작용을 겪고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 생체재료연구센터 이관희 박사팀이 서울아산병원 정인갑 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 소변에서 전립선암을 단 20분 만에 100%에 가까운 정확도로 진단하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 초고감도 전기신호 기반 바이오센서에 스마트 인공지능 분석법을 도입해 기술 개발에 성공했다. 소변을 활용한 진단검사는 환자 편의성이 뛰어나고 침습적인 조직검사가 필요하지 않아 부작용이나 환자의 고통 없이 암을 진단 할 수 있다. 하지만 소변에는 암 인자의 농도가 낮기 때문에 소변 기반의 바이오센서는 그동안 정밀진단보다는 위험군을 분류하는 데 활용되어 왔다. KIST 이관희 박사팀은 그동안 전기신호 기반의 초고감도 바이오센서를 활용하여 소변에서 질병을 진단하는 기술을 개발해왔다. 암 진단과 관련해 단일한 암 인자로는 진단 정확도를 90% 이상으로 끌어올리는 데는 한계가 있었다. 연구진은 이 문제를 극복하기 위해 한 종류의 암 인자가 아닌 서로 다른 여러 종의 암 인자를 동시에 활용해 진단 정확도를 획기적으로 높이는 데 성공했다. 연구진은 전립선암 진단을 위해 기존의 ‘전립선 특이항원(PSA)’ 기반 검출의 문제점을 개선하기 위해 소변에서 극미량의 네 가지 암 인자들을 동시에 측정할 수 있는 초고감도 반도체 센서 시스템을 개발했다(그림3). 이 센서를 통해 얻은 네 가지 암 인자와 전립선암 사이의 상관관계를 인공지능에게 기계학습 시키고, 얻어진 검출 신호들의 복잡한 패턴에 따라 암 여부를 진단할 수 있는 알고리즘을 개발해냈다. 이 인공지능 분석법을 활용하여 전립선암을 진단한 결과, 76개의 소변 표본에서 전립선암 환자를 95.5%로 진단했다. 연구진은 향후 임상을 확대하여 더욱 많은 환자 정보를 학습시켜 진단 알고리즘의 정확성을 높일 계획이라고 밝혔다. KIST와 공동 연구를 진행한 서울아산병원 정인갑 교수는 “수술이나 치료가 필요한 환자를 소변을 활용해 높은 정확도로 선별함으로써 불필요한 조직검사와 치료를 최소화하여 의료비 및 의료진의 피로도를 획기적으로 줄일 수 있다.”라고 말했다. 한편, KIST 이관희 박사는 “소변만으로 100%에 가깝게 전립선암을 신속히 진단할 수 있는 스마트 바이오센서의 개발은 소변을 활용한 다른 암 종의 정밀 진단에 활용될 수 있을 것”이라고 전망했다. 본 성과는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 범부처(과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부, 식품의약품안전처) 전주기의료기기연구개발사업단의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 나노분야 권위지인 ‘ACS Nano’(IF: 14.588, JCR 분야 상위 5.255%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Noninvasive Precision Screening of Prostate Cancer by Urinary Multimarker Sensor and Artificial Intelligence Analysis - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김호준 선임연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박성욱 박사후연구원 - (제 1저자) 서울아산병원 정인갑 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이관희 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 반도체 기반의 초고감도 바이오센서를 활용하여 환자 소변에서 극미량의 암인자들을 검출하고, 여기서 발생하는 검출 신호의 패턴을 얻어냄 [그림 2] 암인자들의 복잡한 신호 패턴을 다수 확보하여 인공지능 분석법을 활용해 암과 정상을 100% 가까운 수치로 정밀 진단하는 데 성공함 [그림 3] 연구진이 개발한 초 고감도 바이오 센서 실물 사진

- 착용 가능한 소형 무선 초음파 뇌 자극기로 뇌졸중 재활 효능 전임상 검증 - 일상생활에서 사용하는 착용형 초음파 자극 기술 개발 발판 마련 뇌졸중은 사망률이 높고, 사망하지 않더라도 뇌에 혈액이 공급되지 않아 신경세포가 손상되면 신체를 움직이기 어려워지는 심각한 질병이다. 뇌졸중으로 손상된 뇌신경 재활을 위해 운동 요법과 뇌신경 자극 등 다양한 기술이 개발되고 있다. 그중 저강도 집속초음파 자극 기술은 수술 없이 초음파가 두개골을 통과하여 원하는 위치에 높은 정확도로 기계적인 에너지를 전달하여 신경세포를 활성 혹은 억제할 수 있어 뇌졸중 등의 신경 손상 질환의 재활 치료기술로 기대되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 바이오닉스연구센터 김형민 박사팀이 착용이 가능한 무선 저강도 집속초음파 뇌 자극기를 제작하여 뇌졸중 동물 모델에 적용, 뇌졸중으로 손상된 뇌신경의 무선 재활 치료기술을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 2018년 소뇌 심부에 저강도 집속초음파 자극을 가하여 편마비에 의해 저하된 운동기능이 회복되는 치료법을 밝힌 바 있으며(Neurorehabil Neural Repair. 2018 Sep;32(9):777-787.), 2020년에는 뇌졸중 소뇌 심부 저강도 집속초음파 자극 치료기술이 뇌파 중 하나인 델타파의 변화와 밀접하게 연관됨을 입증하였다.(IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2020, 28(9): 2073-2079.) 이 기술을 다양한 환경에서 뇌졸중 환자의 재활 치료에 효율적으로 사용하기 위해서는 초음파 기계를 일상생활에서 편하게 착용할 수 있어야 하지만, 기존 초음파 뇌 자극기는 무겁고, 고정되어있어 마취되거나 고정된 동물을 대상으로 하는 실험에서만 사용할 수 있어 실용화가 어려웠다. KIST 연구진은 축적된 연구 결과를 바탕으로 저강도 집속초음파를 무선으로 조정할 수 있는 약 20g의 가벼운 착용형 뇌 자극기를 개발하여 뇌졸중 쥐 모델에 사용해 운동 능력을 측정한 결과, 재활 효능이 있다는 것을 검증하였다. 뇌졸중 쥐 모델의 뇌에서 운동을 관장하는 영역에 약 426kPa의 압력을 갖는 초음파를 가하여 재활 3일 후 초음파를 가하지 않은 뇌졸중 모델과 비교했을 때 운동 능력이 유의미하게 향상되었고, 재활 7일 후에는 정상 쥐와 유사한 운동 능력을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 김형민 박사팀이 개발한 뇌 자극기는 가벼운데다 무선이어서 신체적 움직임에 따른 제약 없이도 초음파로 뇌 운동 영역을 자극함으로써 뇌졸중으로 손상된 신경의 재활이 가능하다는 것을 보여주었다. 이러한 연구 결과는 머지않아 임상 수준에서의 착용형 초음파 뇌 자극 기술 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. KIST 김형민 박사는 “최근 착용형 뇌 자극 기술의 발전이 빠르게 이루어지고 있는 상황에서 착용형 초음파 기기를 이용한 비침습적인 뇌신경 재활 치료가 가능하다는 것을 입증했다 것이 본 연구의 의의”라며, “앞으로 자극 후 안전성과 질병 치료의 효과를 보장하기 위해서 초음파 자극을 통한 신경조절의 분자적, 세포적 메커니즘을 밝혀 및 자극 프로토콜을 최적화하는 후속 연구가 필요하다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 의공학 분야 국제 저널인 ‘IEEE Transactions on Biomedical Engineering’ 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Wearable transcranial ultrasound system for remote stimulation of freely moving animal - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김예브기니 박사후연구원 - (교신저자) 광주과학기술원 김재관 부교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김형민 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 개발된 무선 착용형 뇌 자극 시스템을 사용한 동물 착용 예 [그림 2] (a)뇌졸중 쥐 모델의 대뇌 피질 운동 영역 저강도 집속초음파 자극 시뮬레이션 이미지(붉은 점이 초음파가 자극되는 지점) 및 (b)동물 착용형 뇌 자극 시스템을 사용하여 뇌졸중 쥐 모델 뇌 자극을 시행한 행동 분석 결과. 자동화된 동물 행동 추적 시스템으로 효능을 추적한 결과 뇌 자극을 시행한 뇌졸중 쥐(tFUS)에서 시행하지 않은 뇌졸중 쥐(Sham)에 비해 날짜가 지남에 따라 건강한 동물(Healthy) 과 유사한 활동성(붉은 선)을 회복하는 모습을 확인