Safe and precise neuro-regulation technology using light

Kwon Geon-ho Nov 13, 2014

Domestic researchers have developed a technology for safe and precise nerve tissue stimulation using light as the first in the world. It is evaluated that the team has suggested a new possibility for the treatment of intractable neurological diseases.

Professor Kim Seong-jun at Seoul National University, Professor Byeon Gyeong-min at Kyunghee University and Professor Jeon Sang-beom at Ewha Woman’s University announced on the 12th that their joint research team had developed a technology for localized nerve stimulation using light irradiated from outside unlike the existing electrical method.

This technology will be applied to neural prosthetics for treatment of intractable neurological diseases, such as Parkinson’s disease or epilepsy, and thus is anticipated to contribute considerably to Korea’s medical equipment industry development.

Studies on nerve simulation to treat or replace the functions of paralyzed senses and motor nerves are being conducted actively. However, nerve simulation technique using electricity has been associated with a number of issues including infection. As for techniques using ultrasonic waves and magnetic field, they had a limitation that localized stimulation was difficult to achieve.

The research team developed ‘Nano Heater’ based on a gold nano bar that generates heat by absorbing infrared rays and injected it to local nerve tissues of test animals. Then, using a technique to irradiate infrared rays to test animals, the team observed that the rays generated heat on the gold nano bar located near nerve cells and the generated heat safely and effectively stimulated the nerves.

The research team confirmed that nerve stimulation effect improved by more than five times when Nano Heater was used. In addition, it observed that infrared energy for ‘stimulus threshold,’ which is the minimum strength of stimulation necessary for a living organism to react to stimulation, reduced by around one thirds, and thus demonstrated the possibility of light stimulation as a safe technique not causing any damages to the nerve tissues.

“Based on electrode-less nerve stimulation technology using Nano Heater, we secured a new source technology for neural prosthetics that is differentiated from the existing electrical stimulation technique,” a member of the research team said. “We pioneered a study on nerve stimulation using light and demonstrated the possibility of a new neurological treatment technique.”

The research outcome was published as a cover paper in an international academic journal ‘Small’ dated October 15.

Kwon Geon-ho | wingh1@etnews.com

빛을 이용한 안전하고 정밀한 신경조절 기술개발

국내 연구진이 빛을 이용해 신경조직을 안전하고 세밀하게 자극하는 방법을 세계 최초로 개발했다. 난치성 신경질환 치료의 새로운 가능성을 제시한 것으로 평가된다.

김성준 서울대 교수, 변경민 경희대 교수, 전상범 이화여대 교수팀은 공동연구를 통해 기존의 전기적 방식과 달리 외부에서 조사한 빛으로 국소적인 신경자극을 하는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

향후 파킨슨병이나 간질과 같은 난치성 신경질환을 치료하기 위한 신경 보철장치에 활용돼 국내 의료기기 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

손상된 감각이나 운동신경을 치료하거나 기능을 대체하기 위한 신경자극 연구가 활발하다. 그러나 전기를 이용한 신경 자극법은 감염 등의 문제가 있고, 초음파와 자기장을 이용한 신경 자극법은 국소 자극이 어려운 한계가 있었다.

연구팀은 적외선을 흡수해 열을 발생시키는 금 나노막대 기반 ‘나노히터’를 개발하고, 이를 실험동물의 국소 신경조직에 주입했다. 그리고 실험동물에게 적외선을 비추는 방식으로 적외선이 신경세포 근처에 있는 금 나노막대에서 열을 발생시키고, 발생된 열이 안전하고 효과적으로 신경을 자극하는 것을 확인했다.

나노히터를 이용해 신경자극 효과가 5배 이상 향상됨을 확인했다. 또 생명체가 자극에 반응하는데 필요한 최소한도의 자극세기인 ‘자극 역치’에 대한 적외선 에너지도 3분의 1 수준으로 낮아지는 것을 확인해 신경조직 손상이 없는 안전한 빛 자극이 가능함을 보였다.

연구팀은 “나노히터 기반의 무전극 신경자극 기술을 기반으로 기존 전기 자극법과 차별화되는 새로운 신경보철 시스템 관련 원천기술을 확보했다”며 “빛을 이용한 신경자극 연구와 신경치료기법의 새로운 가능성을 개척했다”고 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 ‘스몰’ 10월 15일자 표지논문으로 게재됐다.

권건호기자 | wingh1@etnews.com

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