눈에서 뇌까지 전달되는 시각 신호를 모사해 인간의 눈처럼 색을 구분할 수 있는 인공시각 신경연결 플랫폼이 개발됐다. 사람의 망막 기능을 완전히 대체할 정도로 기술이 완성되면, 이식을 통한 시각 복원에 활용될 것으로 기대된다.
한국과학기술연구원(KIST)은 김재헌·송현석·김홍남 박사 연구팀이 세포 실험을 통해 인간과 같은 수준의 시각 기능을 갖는 인공 광수용체를 제작하고, 인공 광수용체에서 빛을 받아 생산된 전기적 신호를 다른 신경세포로 전달하는 '인공 시각회로 플랫폼'을 개발했다고 17일 밝혔다.
인간의 망막은 원추세포와 간상세포로 이뤄져 있다. 원추세포는 빨강, 초록, 파란색 등 세 가지 색감을 구분하는 광수용체 단백질을 생산하고, 간상세포는 명암을 구분하는 광수용체 단백질을 생산한다.
인간의 눈은 외부에서 들어온 빛이 망막에 맺혀 상을 형성하면, 시신경을 통해 뇌로 전달하는 과정을 통해 사물을 본다. 기존 인공 망막 연구는 단일 신경세포에 전자천공법을 사용하거나 바이러스·유전자를 주입하는 방식을 사용했으나, 인공적으로 광수용체 단백질을 발현시키기 전에 신경세포가 기능을 잃거나 괴사하는 문제가 있었다.
연구팀은 신경세포를 군집 형태로 만들고, 세포 간 상호 작용을 강화해 기능성과 생존력을 높인 '스페로이드'를 제작했다. 세포 군집 형태의 스페로이드는 유전자 주입에 의한 스트레스에 비해 회복력이 좋고, 유전자 정보를 읽고 안정적인 인공 광수용체 단백질을 생산했다. 기존에 2차원 세포배양 시 광수용체 단백질을 주입했을 때 50% 이하의 신경세포들만 생존했다면, 신경 스페로이드를 활용해 80% 이상까지 높은 생존율을 구현한 것이다.
연구팀은 명암을 구분하는 로돕신과 색 구분을 위한 청색옵신 단백질을 발현해 각각 청색, 녹색에서 선택적인 반응성을 가지는 스페로이드를 제작했다. 이 스페로이드는 사람의 눈이 인식하는 색과 동일한 파장에서 반응을 일으켰다.
연구팀은 이어 광반응성 신경 스페로이드와 뇌를 모사한 일반 신경 스페로이드를 연결한 기기를 제작하고, 일반 스페로이드까지 신경 전달이 확장되는 과정을 형광 현미경으로 포착했다. 인간의 뇌가 망막에서 발생한 신호를 다른 색으로 인지하는지 탐색이 가능한 시각 신호전달 모델을 만든 것이다.
김재헌 KIST 박사는 "이 연구는 도전적이고 인류에 공헌하는 기술개발을 목표로 하는 그랜드 챌린지 사업을 통해 수행됐다"며 "앞으로 인간이 볼 수 있는 모든 색을 인식할 수 있는 스페로이드를 생산해 시각 관련 질환과 치료를 위한 테스트베드 키트로 발전시켜 나갈 계획"이라고 말했다.
이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈'에 게재됐다.
이준기기자 bongchu@dt.co.kr
KIST는 사람의 시각 시스템을 하나의 기기 안에 광반응성-신경세포 스페로이드를 활용해 모사한 '눈-뇌 시각 모사 모델'을 개발했다.
