설계된 소재로 절단된 신경을 재연결할 수 있음

 (news.rice.edu)
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  • Rice University 연구진은 자기장을 전기장으로 바꾸는 자기전기 소재로 원격 뉴런 자극과 쥐의 절단된 좌골신경 연결을 실험함
  • 새 소재는 기존 유사 소재보다 120배 빠른 변환을 보이며, 뉴런이 반응하기 어려웠던 신호 형태와 주파수 문제를 겨냥함
  • 구조는 lead zirconium titanate 압전층과 Metglas 자기변형층을 바탕으로, 비선형 전기 신호를 만들기 위해 platinum, hafnium oxide, zinc oxide를 적층함
  • 전체 장치를 줄이려면 200nm 미만의 얇은 층을 만드는 공정이 필요하며, 장기적으로는 원하는 위치에 주입 가능한 형태가 목표임
  • 이 접근은 신경자극 치료의 침습성을 낮출 수 있고, 감지·메모리·전자공학 같은 생체전자공학 밖 응용으로도 이어질 수 있음

자기전기 소재로 신경을 원격 자극

  • 자기전기 소재는 자기장을 전기장으로 바꿀 수 있어, 신경 조직을 최소 침습 방식으로 자극하는 치료 후보로 주목받아 왔음
  • 기존 소재의 한계는 변환된 전기 신호의 형태와 주파수가 뉴런이 반응하기 어려운 방식이라는 점이었음
  • Rice University의 Jacob Robinson 연구팀은 이 문제를 겨냥한 새 자기전기 소재를 설계함
    • Nature Materials에 발표된 연구에 따르면, 이 소재는 뉴런을 원격으로 정밀 자극할 수 있음
    • 쥐 모델에서 절단된 좌골신경의 간격을 잇는 데 사용됨
    • 유사 소재보다 자기-전기 변환을 120배 빠르게 수행함

이식 장치보다 덜 침습적인 신경자극 목표

  • Robinson은 이 소재의 특성과 성능이 신경자극 치료에 큰 영향을 줄 수 있다고 봄
  • 기존처럼 신경자극 장치를 이식하는 대신, 아주 적은 양의 소재를 원하는 부위에 주입하는 방식이 가능해질 수 있음
  • Joshua Chen은 몸 안에 “먼지”처럼 작거나 아주 적은 양만 넣어도 뇌나 신경계를 자극할 수 있는 소재라는 질문에서 출발함
  • 자기장은 몸 안으로 쉽게 침투하고, 자기전기 소재는 이를 신경계가 정보 전달에 쓰는 전기장으로 바꿀 수 있음

소재 구조와 작동 원리

  • 연구진은 lead zirconium titanate 압전층을 두 개의 Metglas 자기변형층 사이에 끼운 자기전기 소재에서 출발함
  • Metglas는 빠르게 자화되고 탈자화될 수 있는 금속 유리 합금임
  • 자기장이 가해지면 자기변형 요소가 진동하며 모양이 변하고, 압전 소재는 그 변형에서 전기를 생성함
  • 두 소재를 결합하면 몸 밖에서 가한 자기장을 전기장으로 바꿀 수 있음

뉴런이 반응할 수 있는 비선형 신호

  • 기존 자기전기 소재는 전기장과 자기장 사이의 관계가 선형적임
  • 연구진에게 필요했던 것은 뉴런이 실제로 반응할 수 있는 전기 신호를 만드는 비선형 관계였음
  • 이를 위해 기존 자기전기 필름 위에 다음 소재를 적층함
    • platinum
    • hafnium oxide
    • zinc oxide
  • 소재 간 호환되는 제작 기법을 찾는 것이 과제였음
  • Robinson은 특별한 특성을 내는 200nm 미만의 얇은 층을 만드는 데 많은 작업이 들어갔다고 밝힘
  • Bhave는 이 공정이 전체 장치 크기를 줄여 향후 주입 가능한 형태로 이어질 수 있다고 봄

쥐 말초신경 실험과 신경보철 가능성

  • 개념 증명 실험에서 연구진은 이 소재로 쥐의 말초신경을 자극함
  • 절단된 신경에서 기능을 회복할 수 있음을 보이며 신경보철 응용 가능성을 제시함
  • Chen은 이 메타물질이 끊어진 신경의 간격을 잇고 빠른 전기 신호 속도를 회복하는 데 사용될 수 있다고 설명함
  • 연구진은 이 소재 설계 프레임워크가 신경기술의 여러 문제를 넘는 새 메타물질 설계로 이어졌다고 봄
  • 같은 설계 방식은 전자공학의 감지와 메모리 같은 다른 응용에도 적용될 수 있음

연구 논문과 지원

  • 논문 제목은 “Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration”임
  • 게재지는 Nature Materials이며 DOI는 10.1038/s41563-023-01680-4임
  • 연구 저자는 Joshua Chen, Gauri Bhave, Fatima Alrashdan, Abdeali Dhuliyawalla, Katie Hogan, Antonios Mikos, Jacob Robinson임
  • 연구는 National Science Foundation과 National Institutes of Health의 지원을 받음

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 척수 손상 환자를 아는 입장에서, 20년은 지나야 시장에 나올 혁신이 계속 반복되는 건 꽤 잔인하게 느껴짐

    • 멋져 보이는 요소에 너무 집중하고, 실제 영향을 받는 환자의 삶의 질과 결과에는 충분히 집중하지 않는 듯함
      고칠 방법은 모르겠지만, 난치 질환을 가진 입장에서는 이런 관행이 삶에 직접 악영향을 주고 큰 공포를 주는데도, HN에서 이런 얘기를 하면 비추천받고 공격당하며 헛소리 취급받는 일이 많아 거의 포기했음
      지인이 겪는 일에 대해서는 안타깝게 생각함
    • 척수 손상, 정확히는 불완전 척수 손상을 갖고 있는데, 죽을 때까지 매일이 어제와 같을 거라는 사실이 정신적으로 큰 부담이 됐고 한때는 그 끝을 앞당기고 싶을 정도였음
      다들 신경계는 잘 지키길 바람
    • 20년 후라도 가능한 건 영원히 불가능한 것보다는 훨씬 나음
      미래 전망이 훨씬 암울한, 예를 들어 연구비나 관심이 거의 없는 삶을 바꾸는 질병도 많음
      그래도 지금 고통받는 사람들에게 긴 기다림이 끔찍한 건 맞음

  • 의료 쪽 사람은 아닌데, 이게 정확히 얼마나 대단한 건지 설명해줄 수 있나?
    척수 복구 수준인지, 아니면 단순한 신경 절단 수리 정도인지 궁금함

    • 아직 판단하기엔 이름
      덜 침습적인 신경 자극 치료를 가능하게 할 수도 있지만, 효과가 더 좋아질지는 모름
      모든 뉴런이 다시 자라거나 원래 있어야 할 위치로 돌아가는 건 아니기 때문임
    • 작은 신경 손상도 삶을 크게 바꿀 수 있음
      오토바이를 타던 친구가 다리 난간에 부딪혀 오른쪽 어깨 신경이 끊어졌고, 팔 감각도 없고 움직일 수도 없음
      그런 걸 고칠 수 있다면 당사자들에게는 엄청난 일임
    • 기사 기준으로는 몸이 스스로 치유하도록 돕는 것보다는, 끊긴 부분을 이어주는 다리에 가까워 보임
    • 신경병증은 많은 사람에게 영향을 줌
      예를 들어 당뇨 환자도 해당되고, 이 기술은 많은 삶을 개선할 수 있음
    • 이 기술의 적용처와 그 실현 시점이 어떻게 될지도 궁금함

  • 제대로 이해했다면, 이건 신경-디지털 변환과 디지털-신경 변환을 가능하게 하는 것 같음
    그렇다면 곧 신체를 로봇 몸으로 대체할 수 있게 된다는 뜻임
    남은 문제는 뇌를 수조 안에서 살려두는 법과, 생명유지 장치를 몸 안에 들어갈 만큼 작게 만드는 것임
    피를 순환시키고, 이산화탄소를 제거하고, 산소와 포도당을 공급하면 되니 아마 그렇게 어렵지는 않을 것 같고 뇌를 무기한 살릴 수도 있을 듯함

    • “곧 우리 몸을 로봇 몸으로 대체할 수 있다”는 건 성급한 결론임
    • “체스를 둘 수 있는 컴퓨터가 있으니 곧 인간을 AI로 대체할 수 있다”라고 1970년에 말하는 것과 비슷함
      “뇌를 무기한 살릴 수 있다”, “그리 어렵지 않다”라고 하기엔, 왜 85세 이상 인구의 3분의 1에서 절반이 알츠하이머병·파킨슨병·치매를 겪는지부터 봐야 함
      소프트웨어 개발자들은 이런 문제를 너무 단순하고 낙관적으로 보는 경향이 있고, 인간의 몸은 그런 설명이 암시하는 것보다 훨씬 더 복잡함
    • 기대 범위는 훨씬 작음
      이게 끊어진 신경 손상을 겪는 사람들을 돕거나, 팔다리가 없는 사람들에게 움직임과 촉각 센서가 있는 더 나은 의수를 구현하는 데 쓰이길 바람
      개인적으로는 인간-컴퓨터 상호작용 개선에도 관심이 큼
      가능하면 수술 없이, 또는 극도로 비침습적이고 빠른 방식이면 좋겠음
    • “곧 우리 몸을 로봇 몸으로 대체할 수 있다”는 식의 과격한 외삽은 믿기 어려움
      이틀에 한 번꼴로 HN에, Reddit에는 수백 건씩 암이나 AIDS를 확실히 치료한다는 글이 올라오는 상황에서 더더욱 그럼
    • “제대로 이해했다면”으로 시작하는 글 뒤에는 대체로 제대로 이해하지 못했다는 걸 보여주는 내용이 따라오는 듯함

  • 사람 몸은 1,500달러 미만으로 시속 900km로 25시간 동안 지구 반대편까지 옮길 수 있는데, 그 1,000배 비용과 1,000배 시간을 들여도 뇌와 발 사이의 거리는 잇지 못한다는 게 늘 어긋나 보였음

    • 시스템 관리자에게 익숙한 비유로 말하면, 데이터센터 랙으로 가는 이더넷이나 광케이블 묶음을 잘라버린 상황을 떠올리면 됨
      이제 각 포트가 원래 연결돼 있던 포트와 다시 연결되도록 전부 이어 붙여야 함
      게다가 그 케이블은 현미경적 크기이고 엄청나게 약하며, 실제로 어떻게 수리해야 하는지도 모름
      사실상 제자리에서 다시 자라주길 바라는 정도임
    • 그게 이상한가?
      오히려 자연스러워 보임
      정밀도는 언제나 어려웠음
      대부분의 사람은 공을 10m 차는 것보다, 1m 떨어진 1mm 지점을 정확히 맞히는 걸 더 어려워함
      모래 더미를 100m 옮기는 건 주변 알갱이를 건드리지 않고 모래 한 알을 정확히 1cm 옮기는 것보다 쉬움
    • 두 작업은 완전히 다르기 때문에, 거리 기준으로 비교하는 건 의미가 없어 보임
    • 제트기가 어떻게 작동하는지는 호기심만 있으면 원하는 깊이만큼 이해할 수 있음
      비행기는 인간이 제1원리에서 설계했고, 우리는 발명품을 문서화하고 그 원리를 이해하는 데 능함
      하지만 생물학적 시스템과 접속하는 물건을 만드는 건 전혀 다른 문제임
      외계 기술을 역공학하는 것과도 같고, 우리 문명이 설계하지 않은 극도로 복잡한 것을 되짚어 이해해야 함
      너무 복잡해서, 다른 분야의 발전으로 의미 있게 찔러볼 도구를 만든 것도 비교적 최근의 일임
    • 개별 과학 분야는 역사적 출발점도 다르고 발전 속도도 매우 고르지 않음
      우리는 늘, 적어도 고대 이집트 이후로는 물리학보다 수학을 더 많이 알았고, 화학보다 물리학을 더 많이 알았으며, 우리 몸보다 화학을 더 많이 알았음
      사용 가능한 기술도 그 차이를 반영함

  • 가까운 미래 SF에서 이런 기술을 이용해, 실험실에서 키운 새 척추를 이식하는 게 가능할까?

    • 신경 신호가 전류 속도로 이동하는 실험실 배양 척추를 상상하게 됨
    • SF 얘기가 나와서 말인데, 존재하지 않는 팔다리나 손가락을 조작하는 사람들 얘기를 읽고 나니 궁금해짐
      “CTRL-Labs의 목표 중 일부는 추가 손가락을 제어하는 모델을 훈련하는 것처럼 상당히 기묘하다”
      https://www.theverge.com/2018/6/6/17433516/ctrl-labs-brain-c...
      우리가 원래 제어할 수 없는 것을 제어하도록 신경을 보강하거나 교차 연결할 수 있을까?
      예를 들어 원할 때 호르몬을 분비해서 아드레날린을 내보내거나 진정할 수 있다면 어떨까?
    • 척추는 보통 사람들이 아는 것보다 훨씬 더 복잡하다고 봄
      읽은 바로는 척추에도 기본적인 반응·사고 능력이 있고, 인간이 만들 수 있는 수준을 넘어설 수도 있음

  • 마비 환자들에게는 큰 희망임
    다만 너무 비싸서 백만장자 몇 명만 쓸 수 있는 기술이 되지 않길 바람

  • 대학이 직접 올리는 발표, 예를 들어 rice.edu가 대형 돌파구를 발표하는 식의 글은 유인이 너무 뒤틀려서 이제 거의 클릭베이트처럼 느껴짐
    연구자는 논문과 연구비를 위해 결과를 과장하고, 대학은 학생과 투자자를 끌어들이기 위해 그 결과를 다시 과장함
    다른 사람들도 비슷하게 느끼는지, 아니면 내가 너무 냉소적이 된 건지 궁금함

    • 냉소가 이해됨
      학술 보도는 어렵고 보람도 적은 일임
      냉소적이지 않게 보면, 연구자 일의 절반은 결과를 다른 연구자와 대중에게 전파하는 것임
      분노 유발 뉴스가 방송과 “주류 뉴스” 홈페이지를 지배하는 것보다는, 다소 과장되더라도 들뜬 대학 발표가 낫다고 봄
      진지한 연구자는 결국 실제 동료심사 자료로 돌아가면 됨
      기사에도 링크가 있었고, 원문은 여기임: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01680-4
      PDF는 여기임: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.24.477527v2....
      이 분야를 주변적으로 아는 입장에서, 압전·자왜 소자와 신경 자극·기록을 조금 아는데, DC 바이어스를 만들 수 있는 자왜 물질은 본 적이 없음
      게다가 신경 자극을 위해 소자를 비공진 모드로 구동하는 것도 새롭게 느껴짐
      1,000피트 밖에서 보는 수준이지만 꽤 흥미롭고, 이 기사는 과장에 걸맞은 내용을 담은 효과적인 보도라고 봄
    • 물리학과 화학의 30%는 재현되지 않고, 연성 과학의 70%는 재현되지 않는다고 함
      사회학에 대해 우리가 아는 상당 부분이 가짜일 수도 있고, 인종·성·젠더에 관한 진보적 사고의 큰 토대가 거기에 놓여 있다면 큰 문제임
      최소한 이 상황과 크게 다르지는 않아 보임
    • 이 뉴스 주기 만화가 떠오름: https://phdcomics.com/comics/archive.php?comicid=1174

  • Neural lace는 언제쯤 나올까?

    • 뇌세포와 신경의 우발적 손상을 실제로 고치는 게 얼마나 어렵고, 그 손상의 결과가 얼마나 광범위한지를 생각하면, 거기에 뭔가를 꽂고 임의의 코드가 전기 자극을 뇌에 보내게 하고 싶어 하는 사람이 이렇게 많다는 게 늘 놀라움
      그 잠재력이 엄청나고 매력적인 건 이해하지만, 나는 그런 제품의 초기 사용자가 되고 싶지는 않음
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