파킨슨, 알츠하이머 등의 뇌질환, 선천적/후천적 감각기능 장애, 각종 사고로 이한 운동 기능 장애 환자의 급증 및 고령화 사회로 진입함에 따라 뇌기능, 감각/운동 기능 저하를 가진 인구가 늘어남에 따라 의학적, 기술적 수요는 날이 갈수록 증가하고 있습니다.
신경공학은 신경생리학 이론을 바탕으로 사람의 뇌와 신경계의 기능 및 현상을 이해하고 신경기능 향상을 위한 공학적 도구를 개발하는 분야이고, 응용분야로는 크게 감각신경회복기, 운동신경 회복기, 신경자극치료기 등으로 나뉘며 다른 원천기술에 비해 전자공학이 강한 우리의 여건에 유리하며, 중추신경계, 감각신경계, 체내 기관 등 응용분야가 광범위하며 BT, IT의 융합학문으로 성장가능성은 무한합니다.
최근 신경공학의 분야는 비약적인 발전의 단계에 있으며, 신경 신호의 메커니즘 이해를 넘어 신경과학의 큰 분야로 여겨지고 있습니다.

NE팀의 목표는 인공 장치와 신경계와 상호 작용을 통하여 재활과 기능 향상을 위한 신경공학을 연구하는 것에 있습니다.

크게 두 가지 연구주제가 있고, 첫 번째는 ‘Brain Rewiring’이고 두 번째는 차세대 뇌심부자극기(Deep Brain Stimulator) 피드백 알고리즘 개발에 있습니다.
‘Brain Rewiring’ 연구는 뇌의 발전단계에서 또는 성숙한 뇌에서 내부적인 속성(유전적, 화학적 환경) 등에 의해서, 또는 외부적인 속성(감각자극, 화학자극) 뇌들이 그에 걸맞게 신경들의 연결 상태를 재정립하게 됩니다. 주로 In vitro 실험을 통하여 쥐의 대뇌 스템셀을 60개의 채널이 있는 전극에 배양하여, 전기자극을 통하여 신경세포들 간의 연결을 변화시키는 것을 연구하고 있습니다.

차세대 뇌심부자극기 피드백 알고리즘 개발의 연구는 현재까지 진행되어온 뇌심부자극기의 단방향성 자극을 뛰어넘는, 신경들의 전기적 활동에 따라 자극 파라미터를 변화하며 자극해주는 최적화 피드백 알고리즘 연구에 중점을 두고 있습니다. 이 연구는 In vitro & In vivo 모두 연구에 중점을 두고 있으며, In vivo의 경우 파킨슨 모델을 대상을 중점적으로 진행하고 있습니다. 이는 앞으로 다른 뇌 질환 연구에도 적용할 수 있을 것이라고 판단됩니다.

특히, 연구의 큰 틀들은 In vivo와 In vitro 두 분야에 전체에 걸쳐 뇌의 정보처리와 뇌 신호 정보에 대해 이해하고 질병 유무에 따른 뇌의 정보처리와 신호가 어떻게 변화하는지에 대해서 정량화하며 이를 통하여 인공 장치와 뇌 사이의 연결기술을 포함한 신경공학을 발전시키는 것에 있습니다.

연구의 큰 틀은 백서의 뇌를 적출하여, MultiChannelSystem을 이용한 In vitro연구와, 백서의 동물 그 자체에 전극을 삽입한 후 뇌의 전기적 활동을 측정하는 In vivo연구로 나뉘어 있습니다.

: In vivo의 경우 6-OHDA를 이용한 파킨슨 동물모델을 확립하고, 이후 Rotation test를 통하여 파킨슨의 유무를 판단한다.
In vitro의 경우 임신한지 12~14일되는 SD(Spargue Dawley)를 이용하여, 향후 cortex가 될 부위를 적출하여, Multi electrode array에 배양하는 기초적 연구를 수행하고 있습니다. 위의 두 기초적 연구는 다음 연구를 위한 가장 기본적인 연구이고, 가장 잘 정립되어 있어야 할 연구 이기도 합니다.

: 신경신호의 측정은 크게 자발적인 반응을 연속적으로 기록하여 연구에 이용하는 것이 있고, 전기적 자극을 통하여 얻어진 신경신호를 기록하여 연구 하는 방법으로 크게 두 가지로 나뉘어 질 수 있습니다. 마찬가지로 전기자극 자체도 측정을 위한 자극과 앞에서도 언급한 ‘Brain Rewiring’을 위한 자극이 있을 수 있습니다.
일반적으로 측정을 위한 전기 자극은 신경세포의 시냅스와 리스펀스가 변하지 않는 범위내에서 진행을 하게 됩니다. 전기 자극에 의해서 측정하고자 하는 대상이 변하게 되면, 그 실험 자체가 무의미한 결과를 가져오기 때문입니다. 이러한 것이 자극과 측정의 핵심이 됩니다.
시냅스의 변화를 주려고 하는 자극은 일반적으로 좀더 강력하게 자극하게 됩니다. 예를 들면 해마부위에서 잘 일어나는 장기기억강화 (Long Term Potentiation)의 경우 100Hz의 자극을 4Hz마다 가해주는 강력한 자극으로 유도할 수 있습니다.

: 신경신호를 여러 전극에서 동시에 획득하여, 단일한 전극에서 신호를 받는 방법에서 좀더 많은 신경신호 획득을 하여, 신경신호 획득의 수율을 높이고, 기본적으로 전극간의 신호의 상관관계 및 발화율 패턴분석을 통하여 그 특성을 연구하고, 더 나아가 전기 자극에 따른 신경신호의 패턴 변화와 그에 따른 실시간 분석을 진행하여, 최종적으로 피드백 알고리즘 구현을 위한 연구의 기반을 마련하는 것입니다.

: 신경세포들이 가지고 있는 큰 특징이 가소성 입니다. 자극에 대해서 계속 그 신경세포의 연결고리인 시냅스를 변경합니다. 그 대표적인 예가 앞서 설명한 장기기억강화와 같은 시냅스 변화가 되겠습니다. 질병유무와 특정약물 등 굉장히 많은 메커니즘에 의해서 신경세포의 가소성은 변화할 수 있습니다. 특히, 전기 자극에 의한 시냅스 변화와 그 메커니즘에 대해 연구 하여, 신경 신호 분석에 활용하고, 더 나아가 뇌가 정보를 처리하는 방식을 알 수 있습니다.

: In vitro 와 In vivo의 기초연구를 통한 뇌신호의 분석과 자극을 통해서 얻은 최적화된 파라미터를 추출하여 이를 뇌심부자극기에 적용하여 실시간 분석과 이에 따른 피드백 전기자극을 뇌 타겟 부위에 인가하여, 기존의 단방향성 전기 자극에서 좀더 향상된 장치개발을 할 수 있다. 이를 통하여 신경자극제어 기술을 확보하고, 더 나아가 뇌와 유기적인 자극을 통하여 더욱 효율적인 자극을 주는 것이 가능하다.