NISOL
바이오메디컬공학과 최영빈
NISOL 연구실은 첨단 나노 반도체 공정 기술을 기반으로, 뇌와 신경계의 미세한 전기적 신호를 정밀하게 측정하고 해석할 수 있는 혁신적인 신경 인터페이스 장치 개발에 주력하고 있습니다. 연구실은 수천 채널 이상의 고밀도 마이크로-전기피질도(µECoG) 그리드, 유연한 마이크로-LED 어레이, 나노와이어 및 나노튜브 전극 등 다양한 차세대 신경 인터페이스 소자를 설계 및 제작하여, 뇌 표면 및 개별 신경세포 수준에서의 전기생리학적 신호를 고해상도로 기록하고 실시간으로 시각화하는 기술을 선도하고 있습니다.
특히, 이러한 신경 인터페이스 기술은 뇌전증, 뇌종양 등 신경계 질환의 진단 및 치료, 정밀 뇌수술 중 실시간 기능적 지도 작성, 뇌-기계 인터페이스(BMI) 시스템 개발 등 다양한 임상 및 연구 분야에 적용되고 있습니다. 최근에는 뇌-장 축(brain-gut axis)과 같은 신경계-소화계 상호작용 연구, 장기 생체신호의 고해상도 측정, 이식형 신경 인터페이스 플랫폼 개발 등으로 연구 영역을 확장하고 있습니다.
연구실은 나노스케일 반도체 소자와 그래핀, ZnO, GaN 등 첨단 소재를 활용한 투명 전극, 광전자 소자, 유연한 센서 어레이 등 다양한 바이오-전자 융합기술을 개발하고 있습니다. 이러한 기술은 세포 내외 신호의 동시 측정, 광학적 이미징과의 결합, 웨어러블 및 이식형 디바이스 구현 등 미래 정밀 의료와 디지털 헬스케어 분야에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.
또한, 신경 신호의 대용량 데이터 분석 및 실시간 해독을 위한 인공지능 기반 알고리즘 개발에도 집중하고 있습니다. 이를 통해 신경계의 복잡한 신호 패턴을 해석하고, 자율신경계 및 뇌-장 축 등 다양한 생체 시스템의 기능적 연결성을 규명하며, 신경계 질환의 조기 진단 및 맞춤형 치료 전략 수립에 기여하고 있습니다.
NISOL 연구실은 신경과학, 의공학, 재료공학, 데이터사이언스 등 다양한 학문 분야의 융합을 통해, 차세대 신경 인터페이스 및 바이오-전자 융합기술의 혁신을 이끌고 있습니다. 앞으로도 뇌와 신경계의 미지의 영역을 탐구하고, 인간의 건강과 삶의 질 향상에 기여하는 연구를 지속적으로 수행할 것입니다.
Semiconductor Optoelectronics
Neural Data Processing
Nanoscale Neuron Interface Devices
고해상도 뇌-신경 인터페이스 및 뇌파 시각화 기술
본 연구실은 뇌와 신경계의 전기적 신호를 정밀하게 측정하고 해석할 수 있는 고해상도 뇌-신경 인터페이스 기술 개발에 중점을 두고 있습니다. 특히, 수천 채널 이상의 마이크로-전기피질도(µECoG) 그리드와 같은 첨단 전극 어레이를 개발하여 뇌 표면의 미세한 기능적 조직 구조와 시간적 역동성을 정밀하게 파악할 수 있도록 하고 있습니다. 이러한 기술은 실험동물뿐만 아니라 인간 환자에게도 적용되어, 뇌전증 수술 중 병변과 정상 뇌 영역의 경계를 정확하게 구분하고, 실시간으로 뇌파를 시각화하는 데 활용되고 있습니다.
최근에는 유연한 마이크로-LED 어레이와 µECoG 그리드를 통합한 신경 인터페이스 장치를 개발하여, 뇌 표면에서 실시간으로 시각적 피드백을 제공하는 기술을 선보였습니다. 이 기술은 뇌 수술 중 신경학적 기능을 보존하면서 병변을 신속하고 정확하게 식별할 수 있게 하여, 임상적 진단 및 치료의 정확도를 크게 향상시킵니다. 또한, 이러한 장치는 뇌-기계 인터페이스(BMI) 분야에서 새로운 패러다임을 제시하며, 신경계 질환의 진단과 치료에 혁신적인 도구로 자리매김하고 있습니다.
이와 같은 고해상도 신경 인터페이스 및 뇌파 시각화 기술은 뇌의 미세한 신경 회로와 기능적 연결성을 이해하는 데 필수적인 기반을 제공하며, 향후 신경과학 및 의공학 분야에서 다양한 임상 및 연구 응용이 기대됩니다.
나노스케일 신경 인터페이스 및 반도체 광전자 소자
연구실은 나노와이어 전극, 나노튜브, 나노로드 등 다양한 나노스케일 반도체 소자를 활용하여, 개별 신경세포 수준에서의 전기생리학적 신호를 직접적으로 측정하고 조절할 수 있는 혁신적인 신경 인터페이스 기술을 개발하고 있습니다. 특히, 그래핀과 같은 2차원 소재와 결합된 투명 전극 어레이, 초박형 및 유연한 마이크로-LED 어레이, 그리고 분자선 증착법을 이용한 반도체 나노로드 이종접합 구조 등은 세포 내외 신호를 동시에 기록하고, 광학적 이미징과 결합하여 신경 네트워크의 동적 변화를 실시간으로 관찰할 수 있게 합니다.
이러한 나노스케일 신경 인터페이스 소자는 기존의 패치 클램프 방식이 가진 한계를 극복하며, 다채널 고속 측정, 장기 안정성, 세포 손상 최소화 등 다양한 장점을 제공합니다. 또한, 신경계뿐만 아니라 심장 등 다른 생체 조직의 전기적 활동을 정밀하게 측정하고, 약물 스크리닝 등 바이오센서 플랫폼으로도 활용될 수 있습니다. 연구실은 나노소자의 전기화학적 특성, 신경세포와의 인터페이스 메커니즘, 장기 신뢰성 및 생체적합성에 대한 심층 연구를 통해 차세대 바이오-전자 융합기술을 선도하고 있습니다.
이와 더불어, 나노구조 기반의 광전자 소자(예: 마이크로-LED, 광센서 등)는 신경계의 광유전학적 조절, 실시간 신호 시각화, 유연한 웨어러블 디바이스 등 다양한 응용 분야로 확장되고 있습니다. 이러한 연구는 신경과학, 의공학, 재료공학의 융합을 통해 미래의 정밀 의료 및 뇌-기계 인터페이스 기술 발전에 핵심적인 역할을 할 것입니다.
신경 데이터 처리 및 실시간 해독 알고리즘
본 연구실은 신경 인터페이스 장치의 하드웨어 개발을 넘어, 신경 신호로부터 의미 있는 정보를 추출하기 위한 데이터 분석 및 실시간 해독 알고리즘 개발에도 주력하고 있습니다. 인공지능(AI) 기반의 신경 신호 분석 기술을 활용하여, 자율신경계의 복잡한 신호 패턴을 해석하고, 신경계 질환의 진단 및 치료에 필요한 핵심 바이오마커를 도출하는 연구를 진행하고 있습니다.
특히, 대용량 다채널 신경 신호의 실시간 처리, 잡음 제거, 특징 추출, 패턴 인식 등 다양한 신호처리 기법을 개발하여, 뇌-기계 인터페이스(BMI) 시스템의 성능을 극대화하고 있습니다. 이러한 알고리즘은 뇌파, 근전도, 심전도 등 다양한 생체 신호에 적용되어, 신경계의 기능적 상태를 실시간으로 모니터링하고, 환자 맞춤형 치료 전략 수립에 기여합니다.
향후에는 신경 데이터의 해석을 통한 뇌-장 축(brain-gut axis) 연구, 신경계-소화계 상호작용 분석, 그리고 신경계 질환의 조기 진단 및 예후 예측 등 다양한 융합 연구로 확장될 예정입니다. 이를 통해 신경과학 및 디지털 헬스케어 분야에서 새로운 패러다임을 제시하고자 합니다.
1
The Brain Electroencephalogram Microdisplay for Precision Neurosurgery
Youngbin Tchoe†, Tianhai Wu†, Hoi Sang U, David M Roth, Dongwoo Kim, Jihwan Lee, Daniel R Cleary, Patricia Pizarro, Karen J Tonsfeldt, Keundong Lee, Po Chun Chen, Andrew M Bourhis, Ian Galton, Brian Coughlin, Jimmy C Yang, Angelique C Paulk, Eric Halgren, Sydney S Cash, Shadi A Dayeh
Science Translational Medicine, 2024
2
Transparent vertical nanotube electrode arrays on graphene for cellular recording and optical imaging
Jamin Lee, Keundong Lee, Kyumeen Kang, Asad Ali, Dong Wook Kim, Hyerim Ahn, Gwanho Ko, Myunghwan Choi, Youngbin Tchoe, Hye Yoon Park, Gyu-Chul Yi
NPG Asia Materials, 2024
3
Flexible, scalable, high channel count stereo-electrode for recording in the human brain
Keundong Lee, Angelique C Paulk, Yun Goo Ro, Daniel R Cleary, Karen J Tonsfeldt, Yoav Kfir, John S Pezaris, Youngbin Tchoe, Jihwan Lee, Andrew M Bourhis, Ritwik Vatsyayan, Joel R Martin, Samantha M Russman, Jimmy C Yang, Amy Baohan, R Mark Richardson, Ziv M Williams, Shelley I Fried, U Hoi Sang, Ahmed M Raslan, Sharona Ben-Haim, Eric Halgren, Sydney S Cash, Shadi A Dayeh
Nature communications, 2024
1
멀티스케일 바이오하이브리드시스템 국제 공동 연구센터
2
정밀 뇌수술을 위한 AR 기반 다기능 진단기술 개발
3
장-뇌축 신경계의 양방향 신경 모니터링을 위한 고밀도 무서 전기생리학 측정 장비 구축