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Research

여러 마리 물고기의 뇌파를 동시에 측정하는 기술 개발

  • 조회. 657
  • 등록일. 2020.06.17
  • 작성자. 전체관리자

- DGIST 김소희 교수팀, 여러 마리의 제브라피쉬를 대상으로 한 뇌파(EEG) 동시 측정 기술 개발
- 뇌전증 치료약 검증에도 성공...뇌신경계 질환 신약 개발 연구의 정확도와 효율성 향상 기대돼

 

DGIST 로봇공학전공 김소희 교수(우), 제1저자인 로봇공학전공 이유현 연구원(좌)
DGIST 로봇공학전공 김소희 교수(우), 제1저자인 로봇공학전공 이유현 연구원(좌) ⓒDGIST

 

 DGIST 로봇공학전공 김소희 교수 연구팀이 여러 마리 성체(成體) 제브라피쉬의 뇌파를 동시에 측정하는 기술 개발과 이를 활용한 뇌전증 치료약의 효과 검증에 성공했다. 한 마리의 뇌파만을 측정할 수 있던 기존 기술의 한계를 극복한 기술로, 향후 뇌신경계 질환 치료에 쓰이는 신약 후보물질 연구의 정확도와 효율성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

 제브라피쉬는 척추동물로, 인간과 70% 유사한 유전정보와 생체기관을 갖고 있다. 따라서 신약 개발 단계 중 첫 단계로 세포를 대상으로 한 기초연구단계와 다음 단계인 설치류 대상 비임상시험 단계 사이에 사용될 동물로 주목받고 있다. 이러한 제브라피쉬를 여러 마리 활용하면 투입된 약물이 주는 영향을 신속하고 정확히 관찰할 수 있다. 이는 효과 있는 신약 후보물질을 초기에 스크리닝 할 수 있어, 연구비용과 시간을 대폭 줄일 수 있는 장점이 있다.

 이에 김 교수팀은 성체 제브라피쉬 여러 마리를 안정적으로 고정시켜 뇌파를 측정할 수 있는 고정유닛과 약물 주입·교환 유닛이 결합된 장치를 고안해 환경 변화 없이도 약물 교환과 연속적인 뇌파 측정이 가능하도록 했다. 이를 통해 여러 마리에서 장시간의 비침습적1) 뇌파 측정이 가능하다. 이는 한 번에 제브라피쉬 한 마리만의 뇌파 측정이 가능하던 기존 기술의 한계를 극복한 것이다.  또한 김 교수팀이 개발한 방식은 유닛을 손쉽게 확장 가능해, 동시 측정 가능 개체 수를 손쉽게 늘릴 수 있고, 뇌파 측정 후 제브라피쉬를 다시 수조로 돌려보내 장기간의 추적 관찰도 가능하다.

 김 교수팀이 개발한 기술을 활용한다면 향후 제브라피쉬의 장점을 극대화한 신약 개발·연구가 가능할 것으로 기대된다. 특히 뇌신경계 질환 치료에 쓰일 수 있는 여러 후보약물들을 여러 마리의 제브라피쉬에 동시에 투입, 그에 따른 뇌파 반응을 연구하는데 있어 정확도와 효율성이 크게 개선될 것으로 기대된다. 또한 여러 약물을 시험하는데 소요되는 시간도 크게 단축할 수 있어, 그 중 효과가 나타나는 약물들을 선별하는 초기 스크리닝 과정에 소요되는 비용과 시간을 대폭 줄일 수 있을 것으로 보인다.

 로봇공학전공 김소희 교수는 “이번에 개발한 기술은 뇌전증이나 수면 장애, 자폐증 등 다양한 뇌신경계 질환 치료를 위한 신약 후보물질의 초기 스크리닝 단계에 활용할 수 있다”며 “처리 속도가 느리다는 뇌파의 약점을 극복하고, 정확도가 높다는 뇌파의 장점을 바탕으로 약효 관련 연구를 진행할 수 있어 향후 후보물질 초기 스크리닝 단계의 성공률을 높일 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

 한편, 본 연구는 DGIST 학부 및 석사과정 졸업생인 로봇공학전공 이유현 연구원이 제1저자로, 김소희 교수가 교신저자로 참여했다. 이번 연구 결과는 바이오센서 분야 국제학술지인 ’바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’ 지에 온라인 게재됐으며, 과학기술정보통신부 뇌과학원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

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1) 비침습적 검사(Noninvasive): 인체에 고통을 주지 않고 실시하는 검사( X-선, 에코-EKG, EEG, 초음파 등)


     연구결과개요 

An EEG system to detect brain signals from multiple adult zebrafish

Yuhyun Lee, Kyeong Jae Lee, Jae-Won Jang, Sang-im Lee and Sohee Kim
(Biosensors and Bioelectronics, Online published on 23rd May, 2020)

   제브라피쉬는 뇌 기능 연구, 신경계 질환 연구, 약물 독성 연구 등에서 널리 사용되고 있다. 기존에 제브라피쉬 성체에서 뇌파를 측정하고자 하는 연구는 한 번에 한 마리에서만 뇌파 측정이 가능했으나, 본 연구에서는 동시에 여러 마리의 제브라피쉬 성체에서 뇌파를 획득할 수 있는 방법을 개발하였다. 안정적인 뇌파 측정을 위해 약물 주입·교환 유닛과 뇌파 측정 유닛을 분리하여, 약물을 변경하여도 제브라피쉬와 뇌파 측정 환경은 영향을 받지 않도록 했다. 개발된 시스템을 사용하여 발작 유도 약물과 뇌전증 치료 약물을 적용하였을 때 뇌파가 명확하게 차이가 난다는 점을 보였으며, 동시에 여러 마리에서 독립적인 뇌파 획득이 가능함을 확인하였다. 개발된 방식은 향후 신약 개발 단계 중 초기 후보물질의 대량 스크리닝 단계에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.  DOI 10.1016/j.bios.2020.112315
 


     연구결과문답  

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존의 제브라피쉬 뇌파 측정은 한 번에 한 마리의 제브라피쉬 성체에서만 뇌파 측정이 가능했다. 그러나 이번 연구는 제브라피쉬가 갖는 효율성과 경제성을 극대화 하기 위해 여러 마리의 성체 제브라피쉬에서 동시에 뇌파를 측정할 수 있는 방법을 세계 최초로 제시했다는데 의미가 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
뇌전증 등 뇌신경계 질환의 치료를 위한 새로운 약물 개발 연구에 쓰일 수 있다. 새로운 약물 후보물질의 약효를 평가하기 위한 초기 스크리닝 시, 제브라피쉬를 사용하면 많은 수의 개체에 동시에 약물을 적용해 그 효과를 빠르게 관찰할 수 있으므로 신약 연구에 드는 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있다. 뇌전증 외에도 자폐증, 수면 장애 등 뇌파를 통해 질환을 파악할 수 있는 다양한 뇌신경계 질환을 대상으로 할 수 있다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
본 기술은 이미 상용화 가능한 수준으로 개발되어 국내 스타트업 기업에서 활용 중이다. 

Q. 실용화를 위한 과제는?
여러 마리에서 동시 측정된 뇌파의 분석시간을 더 단축하기 위해서는 기계학습 등의 기법을 도입하여 자동화된 뇌파 처리 알고리즘을 구축하는 후속 연구가 필요할 것이다.    

Q. 연구를 시작한 계기는?
제브라피쉬에서 다채널 뇌파 측정의 가능성을 보인 연구결과(Scientific Reports, 2017) 발표 이후로 동시에 여러 마리에서 뇌파 측정이 반드시 필요하다는 생각으로 연구를 지속적으로 추진했다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
여러 마리 개체에서 동시에 뇌파를 측정할 수 있게 됨으로써, 뇌신경계 질환의 신약 후보물질의 초기 스크리닝 단계에서의 약물 유효성 평가 정확성을 높일 수 있으며, 이를 통해 그 다음 단계인 설치류에서의 비임상시험에 드는 시간과 비용을 획기적으로 절감하는 데 기여할 것으로 예상한다. 또한, 제브라피쉬 뇌파를 통한 약효 검증이라는 새로운 방식에 대한 가능성을 제시했다는 점에도 큰 의의를 둘 수 있다.  

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
국내·외 신약 개발 현장에서 제브라피쉬 대상의 본 기술을 널리 사용해 난치성 신경계 질환의 신약이나 치료법 개발로 이어지기를 기대한다.  


     그림 설명  

[그림 1] 측정된 뇌파 신호의 예시

측정된 뇌파 신호 측정한 예시

 

정상적인 뇌파와 발작을 유도하는 약물이 처리된 상태에서의 뇌파를 측정한 예시. 
(a)는 뇌전증 치료제를 사용하지 않은 경우이고 (b)는 뇌전증 치료제를 사용한 경우로, 뇌전증 치료제를 사용한 경우는 발작 유도 약물을 주입했음에도 불구하고 뇌파가 정상적인 양상을 보이는 것을 알 수 있다.

 

[그림 2] 여러 마리 제브라피쉬에서의 뇌파 동시 측정 방식여러 마리 제브라피쉬에서의 뇌파 동시 측정 방식

 김소희 교수 연구팀이 개발한 여러 마리 제브라피쉬에서 동시에 비침습적으로 뇌파를 측정하는 시스템 모습. 네 마리가 정렬된 모습을 보여주고 있지만 유닛들을 병렬 연결하여 얼마든지 확장 가능하다. 


 

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