세계에서 가장 작은 무선 뇌 임플란트

세 개의 연구실, 세 가지 접근법, 하나의 목표: 뇌의 무선화

2025년 11월에서 12월 사이 발표된 논문들에서 Cornell, Columbia/Stanford/UPenn, 그리고 MIT 연구팀은 무선 방식의 최소 침습적 뇌 인터페이스를 향한 세 가지의 매우 다른 경로를 설명했습니다. Cornell과 Nanyang Technological University 연구원들은 소금 한 알보다 작은 마이크로 규모의 광전자 장치인 MOTE를 공개했으며, 이를 통해 생쥐에서 1년 이상 신경 스파이크를 기록했습니다. Columbia와 그 임상 협력진의 엔지니어들은 수만 개의 전극과 100메가비트 무선 링크를 갖춘 종이처럼 얇은 실리콘 임플란트인 BISC를 선보였습니다. 그리고 MIT 과학자들은 혈류를 통해 이동하고, 손상되지 않은 혈뇌장벽(BBB)을 통과하며, 목표 부위에 스스로 이식되어 집중적인 전기 자극을 제공하는 세포-전자 하이브리드인 "circulatronics(서큘라트로닉스)"를 발표했습니다. 각 프로젝트는 크기, 대역폭 또는 수술 위험이라는 서로 다른 병목 현상을 해결하고 있으며, 이들은 뉴런 옆에 전자 장치를 배치하려 할 때 기술적 선택지가 얼마나 다양한지를 함께 보여줍니다.

소형화의 극한: MOTE

실험실 테스트에서 이 장치는 생쥐의 배럴 피질(barrel cortex)에 배치되거나 주입되었으며, 흉터를 최소화하면서 1년 동안 단일 뉴런 스파이크와 광범위한 시냅스 활동을 안정적으로 기록했습니다. 연구팀은 뇌의 액체 환경에서 부식을 늦추기 위해 제조 과정에서 원자 단위 두께의 보호 코팅을 적용했으며, 이 장치의 재료가 MRI와 호환될 수 있다는 점을 언급했습니다. 이는 향후 임상 작업에서 유의미한 실용적 이점입니다. MOTE 논문은 Nature Electronics에 게재되었으며, 이전에 실현 가능하다고 생각했던 것보다 훨씬 작은 규모에서 장기적인 무선 기록이 가능함을 입증했다는 점에서 중요합니다.

고대역폭, 종이처럼 얇은 피질 칩: BISC 플랫폼

단일 칩 BISC 디자인에는 65,536개의 전극, 1,024개의 기록 채널, 16,000개 이상의 자극 채널과 더불어 온칩 라디오 및 전력 관리 시스템이 포함되어 있습니다. 발표된 테스트에서 이 시스템은 약 100Mbps의 속도를 낼 수 있는 초광대역(UWB) 무선 링크를 통해 임플란트와 외부 컴퓨터를 연결하는 중계국을 시연했습니다. 이는 오늘날 대부분의 무선 BCI보다 수십 배 더 높은 처리량입니다. 이러한 대역폭은 BISC가 임상용 신경 보조 장치 및 피질 집단 활동을 머신러닝 디코더에 연결하는 데 있어 매력적인 이유입니다. 이 임플란트는 확립된 반도체 파운드리 공정을 사용하여 제조되었으며, 팀은 이미 짧은 수술 중 인체 연구를 시작했고 장치를 상용화하기 위한 스타트업을 설립했습니다.

비수술적 전달: MIT의 서큘라트로닉스(circulatronics)

연구원들은 생쥐를 대상으로 서큘라트로닉스를 테스트하여 염증이 생긴 뇌 부위를 표적으로 삼고 마이크론 단위의 정밀도로 국소 자극을 주는 동시에, 대형 임플란트에서 발생하는 조직 손상과 면역 공격을 피할 수 있음을 보여주었습니다. 이 연구는 Nature Biotechnology에 게재되었으며, 수술로 접근하기 어려운 국소 염증, 교모세포종 또는 미만성 병변을 치료하는 데 분명한 시사점을 주는, 수백만 개의 미세 자극 부위로 향하는 비수술적 경로를 제시합니다.

전력, 통신 및 면역 체계: 이 분야를 정의하는 상충 관계

세 가지 플랫폼을 비교해 보면, 그 차이는 몇 가지 핵심적인 엔지니어링 상충 관계(trade-offs)로 요약됩니다. 설계의 주된 요소는 전력과 텔레메트리(원격 측정)입니다. MOTE는 에너지와 광학 출력 신호 모두에 투사된 빛을 사용하므로, 데이터 속도와 침투 깊이를 희생하는 대신 극도로 작은 크기를 구현했습니다. BISC는 매우 높은 데이터 처리량과 통합 자극을 달성하기 위해 온칩 라디오와 외부 중계기를 사용하지만, 경막 하 공간에 배치해야 하며 착용형 중계기가 필요합니다. 서큘라트로닉스는 전자 장치를 운반하기 위해 세포에 편승함으로써 수술을 완전히 피하지만, 장치가 어디로 가는지와 도착 후 어떻게 행동하는지를 제어하기 위한 세심한 생물학적 엔지니어링이 필요합니다.

생체 적합성은 또 다른 축입니다. 뇌의 체액은 전자 장치를 부식시키고 면역 반응을 일으킵니다. 각 팀은 MOTE의 원자층 보호 코팅, BISC의 유연한 등각 기판, 서큘라트로닉스의 살아있는 세포 위장술 등 서로 다른 대응책을 사용합니다. 각 전략은 추적을 벗어나는 미세 장치, 주입된 하이브리드의 장기적 운명, 또는 영상 촬영 방식 및 기타 의료 기기와의 예기치 않은 상호작용과 같은 새로운 불확실성을 수반합니다.

임상 경로, 상업화 및 규제 장벽

세 프로젝트 모두 명확하게 중계 연구(translational)를 지향하고 있지만, 서로 다른 규제 및 상업적 과제에 직면해 있습니다. BISC는 확립된 반도체 제조 방식을 사용하고 경막 하 수술 삽입 방식을 택하고 있어 기존 임플란트 규제 및 신경외과 워크플로우에 자연스럽게 부합하며, 이는 임상 시험으로 나아가는 데 도움이 됩니다. Cornell의 MOTE는 인체 적용까지 갈 길이 더 멉니다. 생쥐에서의 장기 기록은 고무적이지만, 인간 두개골 두께를 가로지르는 광학 전력 공급 및 데이터 수집을 확장하는 것은 여전히 기술적 장벽으로 남아 있습니다. MIT의 서큘라트로닉스 개념은 임상적 관점에서 개두술을 주입식 경로로 대체한다는 점에서 세 가지 중 가장 파격적이지만, 의도적으로 혈뇌장벽을 통과하고 살아있는 세포를 운반 수단으로 사용하기 때문에 가장 엄격한 규제 조사를 받게 될 것입니다.

상업 활동은 이미 진행 중입니다. Columbia/Stanford 연구원들은 BISC 연구 키트를 제작하기 위한 회사를 설립했으며, MIT 팀은 스타트업을 통해 임상 시험을 추진할 계획입니다. 자금 조달원으로는 미국 국립보건원(NIH)과 고위험 신경공학 작업을 오랫동안 지원해 온 국방 관련 프로그램들이 포함됩니다. 이러한 혼합은 연구 속도를 높이지만, 강력한 뇌-컴퓨터 기술의 이중 용도(dual-use) 및 거버넌스에 대한 질문을 다시 던지게 합니다.

윤리, 보안, 그리고 ‘무선’이 정신에 의미하는 바

임플란트가 작아지고 무선 링크가 빨라짐에 따라 윤리적 쟁점은 수술적 위험에서 프라이버시, 데이터 소유권 및 통제의 문제로 옮겨가고 있습니다. BISC와 같은 고대역폭 장치는 높은 시공간적 해상도로 기록, 해독 및 자극할 수 있는 잠재력을 제공합니다. 이러한 기능은 누가 신경 데이터에 접근할 수 있는지, 데이터가 어떻게 저장되고 분석되는지, 그리고 원치 않는 간섭을 어떻게 방지할 것인지에 대한 어려운 질문을 제기합니다. MOTE와 같은 초소형 임플란트나 자가 전달 방식의 서큘라트로닉스는 장치가 물리적으로 추적 및 제거 가능하다는 것을 전제로 하는 규제 프레임워크에 도전합니다. 연구자와 임상의들은 간질 조절, 마비 회복, 시력 복구와 같은 치료 목표를 강조하지만, 엔지니어와 윤리학자들은 보안 표준, 고지된 동의 및 장기 추적 관찰에 대한 병행 연구를 이미 촉구하고 있습니다.

신경 인터페이스의 다각적인 미래

이 논문들을 통해 드러나는 것은 단 하나의 승자가 아니라 하나의 도구 상자입니다. 고성능 의수 제어나 연구 수준의 피질 매핑과 같은 일부 응용 분야에서는 BISC와 같은 고대역폭 웨이퍼 규모 칩이 가장 유망해 보입니다. 최소 침습적 모니터링이나 오가노이드 및 작은 신경 구조와의 인터페이싱의 경우, MOTE 스타일의 광학 마이크로 장치가 이전에는 불가능했던 실험의 장을 열 수 있습니다. 그리고 수술이 불가능한 상황에서의 치료적 신경 조절을 위해서는 세포가 전달하는 서큘라트로닉스가 근본적인 대안을 제시합니다.

이러한 가능성들은 흥미롭지만, 이를 안전하고 공평한 임상 기술로 전환하려면 수년간의 엔지니어링, 장기적인 동물 및 인체 연구, 규제 작업, 그리고 허용 가능한 용도에 대한 사회적 논의가 필요할 것입니다. 따라서 뇌 임플란트의 가까운 미래는 단 하나의 기적적인 소형 장치가 아니라, 임상의, 규제 기관, 그리고 사회가 신중하게 무게를 달아봐야 할 확장되는 상충 관계의 집합이 될 것입니다.

출처

• Nature Electronics (MOTE 및 BISC 연구 논문)
• Nature Biotechnology (서큘라트로닉스 연구 논문)
• Cornell University (Molnar 연구실, Cornell NanoScale Facility)
• Columbia University School of Engineering and Applied Science (BISC 협업)
• MIT Media Lab / Nano‑Cybernetic Biotrek Lab (서큘라트로닉스 연구)
• DARPA Neural Engineering System Design 프로그램