‘꿈의 물질’이라 불리는 그래핀이 뇌의 비밀을 풀어줄 열쇠로 떠올랐다. 우수한 전기전도도와 얇아서 잘 휘어지는 유연성을 활용해 ‘그래핀칩’을 만들고, 이를 뇌 표면에 붙이면 뇌가 보내는 신호를 정밀하게 파악할 수 있다. 영국 과학자들이 처음 관련 임상에 성공했다고 발표하면서 전 세계 연구자들이 들썩이고 있다.
뇌종양 수술은 정상 뇌 조직에 미세하게 침윤돼 있는 암 세포를 깔끔하게 제거하는 것이 관건이다. 그래핀 브레인칩을 활용하면 ‘암 세포만 정확히 골라내는 것’이 가능해져 뇌종양 수술의 신기원을 열 것이라는 평가가 나온다.
4일 과학기술계에 따르면 영국 솔퍼드왕립병원에서 최근 한 뇌종양 환자를 대상으로 브레인칩 이식 수술이 진행됐다. 환자 두개골 일부를 제거하고, 0.3나노미터(㎚·1㎚는 머리카락 두께의 약 5만분의 1) 두께의 아주 얇은 칩을 뇌 표면에 설치했다.
브레인칩 개발 업체인 스페인 ‘인브레인 뉴로일렉트로닉스’의 코스타스 코스타레로즈 설립자(영국 맨체스터대 나노의학과 교수)는 “정상 뇌 세포와 비정상 암 세포를 구별하는 데 그래핀 기반의 뇌·컴퓨터인터페이스(BCI) 장치를 사용했다. 이는 전 세계 최초의 임상시험”이라고 강조했다.
우표 크기의 이 칩은 수천 개의 전기 접점을 가지고 있다. 이 접점을 통해 뇌 신호를 읽으면 함께 달린 송신기가 관련 정보를 외부로 보내는데, 이를 해석하면 정상 뇌 조직과 암 세포를 구별할 수 있다. 이번 연구의 가장 큰 성과는 마이크로미터(㎛·1㎛는 100만분의 1ｍ) 수준의 정밀도로 뇌 신호를 파악했다는 점이다. 통상 거미줄 가닥 굵기가 3~8㎛임을 감안하면, 현미경으로 세포를 들여다보듯 정밀하게 정상 세포와 암 세포를 구별할 수 있다는 이야기다.
사람 뇌에는 약 860억개의 신경세포가 존재한다. 이 신경세포들은 서로 시냅스로 연결돼 있다. 사람이 움직이고, 무언가를 느끼고, 생각할 때마다 작은 전기 자극이 생성돼 하나의 신경세포에서 다른 신경세포로 믿을 수 없을 만큼 빠르게 전달된다. BCI는 이 체계를 해독하고 컴퓨터로 신호를 보내 사람의 뇌와 컴퓨터를 연결하는 인터페이스다. 일론 머스크가 이끄는 ‘뉴럴링크’ 등이 BCI를 실현하려는 대표적인 기업으로 꼽힌다. 과학계에서는 뇌에 손상을 주지 않고, 뇌 신호 해독의 정확성과 해상도를 높이는 데 주력하고 있다.
인브레인 뉴로일렉트로닉스 연구팀은 그래핀이라는 신소재에 주목했다. 브레인칩 연구자인 조일주 고려대 의대 교수는 “그래핀을 전극으로 사용하게 되면 저항이 적어 신호를 읽는 데 있어 노이즈가 적다”며 “전극으로 백금 등 다른 재료도 쓰이는데, 그래핀만 한 성능을 따라오는 소재가 없다”고 설명했다. 조 교수는 “그래핀이 체내에서 안정되게 유지되는 것이 어렵다”며 “임상에 들어갔다는 것은 그래핀의 독성에 있어 안전성이 어느 정도 검증됐다고 볼 수 있다”고 평가했다.
이 물질을 발견한 것만으로도 노벨상을 받을 수 있었다. 2010년 노벨 물리학상을 수상한 콘스탄틴 노보셀로프 싱가포르국립대 교수(전 영국 맨체스터대 교수)는 연필심의 재료인 ‘흑연’을 스카치테이프로 몇 번 붙였다 떼었다 하다가 그래핀을 발견했다. 흑연은 그래핀을 세로로 층층이 연결한 물질이었다.
이번 임상 때 설치한 브레인칩은 현재까지 정상 작동하고 있는 것으로 확인됐다. 그간 뇌 세포 신호 중 주파수가 높거나 낮은 경우 파악이 힘들었는데, 이 신호들까지 모두 감지하고 있는 것으로 나타났다. 인브레인 뉴로일렉트로닉스 연구팀은 “뇌의 광범위한 전기 신호를 매우 정확히 파악하고 있다”고 설명했다.
이번 임상은 그래핀을 활용한 브레인칩의 첫 임상 시험이라는 의미가 있다. 인브레인 뉴로일렉트로닉스 외에도 그래핀을 활용한 브레인칩을 여러 연구팀들이 개발 중이다. 이 회사는 이번 임상에서 약 10명의 환자를 대상으로 브레인칩을 삽입할 예정이다. 뇌종양 세포와 비교해 건강한 세포에서 전기 신호가 어떻게 전달되는지에 대한 이해를 훨씬 높일 것으로 기대된다. 이를 바탕으로 뇌졸중과 간질을 포함한 다른 여러 질환을 연구하는 데 도움이 될 것으로 보인다.