뇌에 심는 전극, 뭘로 만들까? (1)
전극 소재가 만족해야 할 조건들과 조직 반응
Key point�
전극 소재의 핵심 조건은 '안전하게, 오래, 잘' 신호를 주고받는 것!
'안전하게, 오래' 주고받기 위해서는 면역 반응과 부식이 없어야 해. 이를 위해선 생체 독성이 없고, 생체 적합성이 좋고, 부드러워야 해.
'잘' 신호를 주고받기 위해선 민감도와 특이도가 높아야 해. 이를 위해서는 임피던스, 전극 크기, 소재 종류 등을 신경 써야 하지.
안녕! 오늘은 뇌에 심는 전극을 뭘로 만들지에 대해 알아볼게. BCI 분야의 세부 연구 주제 중 첫 번째로 알아볼 항목, 바로 ‘소재’야. 뇌에 심는 칩은 어떤 재질로 만들어져야 할지 생각해 본 적 있니? 먼저 전극이 만족해야 할 조건에 대해 알아보자.
전극의 핵심 기능은 ‘조직과 신호를 주고받는 것’이야. 안전하게, 오랫동안, 잘. 이 문장을 되새겨보면 전극 소재가 만족해야 할 조건을 알 수 있어.
안전하게, 오래 - 조직 반응
먼저, 전극은 안전하게, 오래 기능할 수 있어야 해. ‘안전하게’라는 말은 체내에서 독성과 면역 반응을 보이지 않아야 한다는 뜻이야. ‘오래’라는 건 부식되지 않아야 한다는 거지. 독성 반응이나 부식은 대부분 면역계가 작용하는 ‘조직 반응’ 때문에 일어나. 조직 반응에 대해 먼저 알아볼까?
조직 반응
조직 반응은 크게 두 가지로 나눌 수 있어. 전극 삽입 직후에 일어나는 급성 반응(acute response)이랑, 그 이후에 일어나는 만성 반응(chronic response)으로 나눌 수 있어.
급성 반응은 전극이 조직을 뚫고 삽입되는 과정에서 조직에 상처가 생겨서 일어나. 상처가 생기는 이유는 조직에 비해 전극이 너무 단단한 경우가 많기 때문이야. 조직에 상처가 생기면 뇌의 면역 세포인 소교세포(microglia)가 혈관으로부터 해당 부위로 방출 돼. 이 소교 세포들은 신경 독성 물질들을 마구 분비하고, 그 결과 전극 주위의 뉴런들이 많이 죽어. 6-8일이 지나면 소교세포가 남은 뉴런들을 잡아먹는 포식 작용(phagocytosis)이 일어나, 결과적으로 전극 주위에 남아있는 뉴런이 없게 돼.
만성 반응은 아직 활성화되어 있는 소교 세포에 의해 시작돼. 이들이 백혈구 중 하나인 단핵구(monocyte)와 세포들을 잡아먹는 대식세포(phagocyte)를 불러오는 물질을 분비하지. 이렇게 모인 세포들은 외부 침입자를 분해하기 위한 물질을 방출해. 그러면 전극 주위에 면역 반응의 일환으로 multinucleated foreign-body giant cell이 생기기도 하고, 신경 아교세포가 증식하는 중추 신경계 반응(Central nerve system response)이 일어나기도 해. 말이 어렵지? 결과적으로는 전극 주위에 신경교세포 상처(glial scar)라는 게 생겨 전극과 뉴런을 단절시키는 게 포인트야. 전극 주위에 장벽이 둘러쳐진다고 생각하면 돼.
다시 본론으로 돌아가자면, 전극은 이러한 조직 반응이 없어야 해. 그러기 위해서는 조직에 해롭지 않아야 해. 면역계가 ‘외부 침입자’로 인식하지 않을 정도로 생체 조직과 가까우면 좋아. 또 너무 단단해서 상처를 줘서도 안되지.
즉, 생체 독성, 생체 친화성이 좋아야 하고, 부드러워야 해.
잘 신호를 주고받기 - 민감도와 특이도
두 번째로는, 신호를 ‘잘’ 주고받을 수 있어야 해. ‘잘’ 주고받는다는 의미는 민감도(sensitivity)와 특이도(selectivity)가 좋아야 한다는 말이지. 민감도는 유의미한 신호를 얼마나 잘 얻을 수 있는지를 뜻하고, 특이도는 노이즈를 얼마나 잘 거를 수 있는지를 의미해.
민감도를 높이기 위해서는 전극의 임피던스(impedance)라는 값이 낮아야 해. 임피던스는 ‘전압을 가했을 때 전류가 흐르는 것에 반항하는 정도’를 뜻해. 임피던스가 낮을수록 같은 전압을 가했을 때 전류가 잘 흐르는 거지. 즉, 주변 신경 세포의 활동으로 활동 전위가 생겼을 때, 전극의 임피던스가 낮을수록 이를 전류 신호로 민감하게 인지할 수 있어.
특이도를 높이기 위해서는 전극의 크기를 줄이는 게 좋고, 적합한 소재를 찾는 게 중요해. 소재마다 특이도가 조금씩 다르거든. 특이도를 높이고 조직 손상을 줄이기 위해 전극 크기를 줄일 때가 많은데, 그러면 전극의 임피던스가 올라가서 민감도가 낮아지곤 해. 이 부분을 잘 조율하는 것도 관건!
요약하자면
부식과 면역 반응을 막기 위해선 생체 독성이 없고, 생체 적합성이 좋고, 부드러워야 해.
민감도와 특이도를 높이기 위해서는 임피던스, 전극 크기, 소재 종류 등을 신경 써야 해.
오늘은 전극 소재가 만족해야 할 조건에 대해 알아봤어. 어때? 다음번에는 실제로 어떤 소재들이 시도되었고, 시도되는 중인지에 대해 알아볼게. 읽어줘서 고마워�
