빛을 이용해 근육을 제어한다.

매사추세츠 공과대학(MIT)의 케이 리사 양(K. Lisa Yang) 생체공학 센터 연구원들은 빛이 피로를 많이 주지 않으면서 근육을 제어할 수 있는 방법을 보여주었다. 이 접근 방식은 다양한 적용 가능성을 열어 주지만 인간에게 적용하려면 추가 개발이 필요하다.

전류를 사용하여 근육 수축을 자극하는 신경보철 시스템은 이미 시장에 존재한다. 이러한 장치는 마비가 있거나 절단 수술을 받은 사람들에게 도움이 되지만, 제어력이 좋지 않고 근육 피로가 빠르게 발생하는 문제로 인해 채택률이 낮다.

기존 접근방식의 문제점

기존 시스템은 근육 제어를 위해 기능적 전기 자극(FES)을 사용한다. FES에서 연구자들은 신경 섬유를 자극하고 근육 수축을 유발하는 전극을 이식한다. 이러한 자극으로 인해 근육 전체가 한꺼번에 수축하게 되는데, 이는 조직이 자연적으로 작동하는 방식이 아니다.

MIT의 예술 및 과학 교수인 휴 허(Hugh Herr)는 자연적인 과정에서 근육은 순차적으로 작은 운동 단위, 중간 크기의 운동 단위, 가장 큰 운동 단위를 모집한다고 설명했다.

그러나 FES에서는 가장 큰 단위가 먼저 모집된다. 허는 보도 자료에서 “신호를 높이면 처음에는 아무런 힘도 얻지 못하다가 갑자기 너무 많은 힘을 얻게 된다.”고 말했다.

더 큰 힘에는 두 가지 결과가 있다. 5~10분 이내에 근육을 빠르게 피로하게 하면서 미세한 운동 조절을 달성하는 것이 어려워진다. 허의 팀은 전극을 보다 효율적으로 조정할 수 있는 새로운 시스템으로 교체할 수 있는지 궁금해했다.

광유전학이 어떻게 도움이 될 수 있을까?

광유전학에서 연구자들은 유전 공학을 사용하여 세포를 변형하여 빛에 민감한 단백질을 생성한다. 그러면 외부 광원이 세포를 활성화하거나 비활성화하여 연구자들이 세포를 제어할 수 있는 비침해적 방법을 제공한다.

허와 그의 팀은 생쥐의 근육 수축을 제어하기 위해 광유전학을 사용하기로 결정했다. 그들은 채널로돕신-2(channelrhodopsin-2)라고 불리는 빛에 민감한 단백질을 발현할 수 있는 유전자 변형 쥐를 사용했다.

세포를 자극하기 위해 연구진은 다리 아래쪽의 근육 움직임을 담당하는 경골 신경 근처에 작은 광원을 이식했다. 예상대로 연구자들은 광유전학적 제어가 근육 수축의 점진적인 증가를 가져온다는 것을 발견했다.

연구에 참여한 MIT 대학원생 기예르모 에레라-아르코스(Guillermo Herrera-Arcos)는 “우리가 신경에 전달하는 광학 자극을 변경하면 거의 선형적인 방식으로 비례적으로 근육의 힘을 제어할 수 있다.”고 덧붙였다. “이것은 뇌의 신호가 근육을 제어하는 방식과 유사하다. 그렇기 때문에 전기자극에 비해 근육을 조절하기가 더 쉬워진다”고 말했다.

연구의 일환으로 연구원들은 들어오는 빛을 사용하여 근육의 출력을 예측할 수 있는 광유전학적 근육 제어를 위한 수학적 모델도 만들었다. 그런 다음 이 모델을 사용하여 빛 자극을 조정할 수 있는 폐쇄 루프 컨트롤러를 개발했다. 근육에 의해 생성된 힘과 원하는 출력을 기반으로 한다.

수학적 모델은 광유전학적 근육 제어가 피로가 시작되기 전에 최대 1시간의 근육 자극을 허용할 수 있음을 시사하며, FES의 경우 15분도 가능하다.

하지만 이 접근법이 인간에게 사용되기까지는 갈 길이 멀다. 몇 년 전 허의 연구실에서는 이 단백질이 쥐의 면역 반응을 유발하여 근육 위축, 즉 크기 감소를 유발할 수 있다는 사실을 발견했다.

허는 보도 자료에서 "면역 반응을 유발하지 않으면서 새로운 감광성 단백질과 이를 전달하는 전략을 설계하기 위한 다각적인 노력이 진행되고 있다"고 결론지었다.