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Research

뇌 신경질환 치료 효율 높일 차세대 전기자극법 개발

  • 조회. 161
  • 등록일. 2021.07.20
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 최지웅·문제일·장재은 공동교수팀, 뇌신경세포에 적은 자극으로 뇌신경 가소성을 조절한 뇌신경 전기 자극 기술 개발

뇌졸중, 파킨슨병 완화 등을 위한 신경 자극 기술 등에 활용 기대

 

[(왼쪽부터)문제일 뇌·인지과학전공 교수, 최지웅 뇌공학융합연구센터장, 장재은 정보통신융합전공 교수]

 

 DGIST(총장 국양) 뇌공학융합연구센터 최지웅 센터장, 정보통신융합전공 장재은 교수, ·인지과학전공 문제일 교수 공동연구팀이 뇌신경 질환 치유를 위한 전기 자극 기술 및 모니터링 기술을 개발했다고 20() 밝혔다. 이번 연구는 기존의 뇌자극 치료 연구의 기술적 한계를 넘어 미래 뇌신경 관련 기술 개발에 큰 도움을 줄 것으로 기대한다.

 최근 평균 수명이 늘어나면서 다양한 뇌신경 질환 발병률 또한 증가하고 있다. 이에 따라 뇌 질환 치료나 뇌 기능 연구를 위한 뇌신경 전기 자극법이 각광받고 있다. 뇌 전기 자극법은 외부에서 가한 전기 자극을 통해 뉴런의 활성화를 조절하는 기술이다.

 현재 대부분의 뇌 전기 자극 연구는 인위적인 신경 활성화를 불러오는 역치 이상 자극(suprathreshold)이 주로 활용되는데, 이는 복잡한 뇌신경 네트워크 내에 원치 않은 영역까지 자극해 부작용이 발생한다. 또한 지속적인 자극을 요하는 경우, 더 많은 배터리 용량이 요구되며 인체 내 배터리 교체를 위한 수술 횟수 증가 등 어려움이 있다.

 이에 공동연구팀은 뇌신경 활성화를 역치자극의 30%의 전력으로 자극하는 역치이하 신경 자극 기술(subthreshold electrical stimulation, STES)을 고안했다. 연구팀은 뇌신경 모델링을 기반으로 신경 자극 시뮬레이션과 동물 실험 검증 등 다양한 방법을 통해 안정성을 입증했다. 이를 통해 뇌졸중의 재활에 중요한 역할을 하는 뇌신경 가소성(可塑性)을 유도하는 기술을 최초 개발했다.

 연구팀의 이번 성과는 신경 활성에 필요한 전력보다 더 낮은 세기의 자극을 줌으로써 배터리 사용시간을 증대시켰고, 국소 부위만 자극함으로써 부작용을 최소화할 수 있었다. 신경 활성화를 조절해 뇌 신경회로를 원하는 방향으로 유도할 뿐만 아니라, 학습과 같은 인간의 고위인지기능을 향상시킬 수 있는 잠재력이 풍부한 기술로 평가된다.

 최지웅 센터장은 이번 기술은 기존의 강제적 신경 활성화가 아닌, 시냅스 전단의 활성화를 증폭시켜 자연스러운 생리적 신경 활성을 유도해 더 적은 부작용과 적은 에너지 소모가 장점이라며, “전자공학, 뇌과학 분야 전문가들의 융합 연구 결과로 기존 의료기술의 한계를 극복한 뇌신경 자극 기술에 적극 활용할 수 있을 것으로 기대된다고 밝혔다.

 이번 연구는 정보통신융합전공 김경수 박사졸업생(캘리포니아대 신경학과 박사후연구원)과 뇌·인지과학전공 유승준 박사졸업생(독일막스플랑크연구소 박사후연구원)가 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 바이오의료기술개발사업, DGIST 특성화지원 융합과학중점센터 사업 및 대구시의 지원을 통해 이뤄졌다. 연구 결과는 국제학술지 네이처(Nature)의 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)78일자 온라인 게재됐다.

 

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연구결과개요

 

Subthreshold Electrical Stimulation as A Low Power

Electrical Treatment for Stroke Rehabilitation

Kyungsoo Kim*, Seung-Jun Yoo*, So Yeun Kim, Taeju Lee, Sung-Ho Lim, Jae-Eun Jang, Minkyu Je, Cheil Moon+, Ji-Woong Choi+

*: co-first authors, +: co-corresponding authors

(Scientific Reports, online Published on July 8th, 2021)

 

 뇌졸중을 재활 치료하는 데 유망한 차세대 치료법으로써, 기존 연구자들은 뇌신경 활성을 조절하는 직접적인 뇌신경 자극술을 개발하였다. 하지만 뇌의 기능을 회복하는 데 사용되는 전기 자극의 전력 소비와 예상치 못한 부작용을 어떻게 감소시킬지에 대한 관심이 부족한 상황이다. 본 연구에서는 저전력으로 국소 부위만을 자극하여도 뇌의 기능적 회복이 가능할 것이라는 가능성을 보이기 위해 공학적으로 접근하여 개발한 역치이하 전기 자극(subthreshold electrical stimulation, STES) 기법을 제안한다. 시뮬레이션을 통해 서로 연결된 두 신경 집단을 구성하고, 신경 활성의 임계값보다 낮은 수준의 전기 자극이 두 신경 집단에 대해 순차적으로 가해졌을 때 이들 사이의 시냅스 연결성이 강화됨을 보였다. 또한 동물 실험을 통해 뇌졸중 발생 이후에 운동 재활 훈련과 더불어 STES 기법을 행하였을 때 기능적인 회복이 이루어짐을 발견하였다. STES 기법으로 자극된 영역에서 뚜렷한 신경 돌기 발현 나타났으며, 재활 과정 동안 운동 기능 회복과 신경 발화 패턴 사이의 상관관계 변화가 발생함을 확인하였다. 이는 STES 기법이 뇌졸중을 재활 치료하는 데 충분한 신경 구성 회복을 유도하는 것으로 볼 수 있다. 본 연구에서는 삽입형 뇌신경 자극 장치에서 저전력 자극을 통해 배터리 소비를 감소시키고, 원치 않는 뇌 영역을 자극할 때 발생하는 부작용을 감소시킬 수 있는 기술로써 STES 기법을 개발하였다.

 

 

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연구결과문답


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존의 뇌자극 기술은 역치이상의 신경막전위를 불러오는 인위적인 자극을 이용해 뇌신경 활성화를 조절하였다. 이는 전기자극의 특성상 넓은 범위의 자극을 불러일으켜 원치 않은 뇌영역의 자극으로 인한 부작용을 야기하며, 또한 지속적인 전기 자극에 필요한 용량의 배터리를 인체에 삽입해야 하는 기술적 문제를 제기하였다. 이번 연구를 통해 시냅스 후단에 대한 역치이하 자극과 시냅스 전단에 대한 활성화의 시너지 효과로 시냅스 후단의 신경을 활성화하는 기술로써 에너지 소모를 기존의 30%로 줄이면서 시냅스 전단과 연계되는 자연스러운 신경 활성화를 통한 뇌가소성 증대 기술을 개발하였다.

Q. 어디에 있나?

뇌졸중 재활이나 파킨슨병의 완화에 필요한 뇌자극 기술을 좀 더 안정적으로 발전시킬 수 있으며, 차후 전자약과 같은 의료기술 개발을 통해 기존 치료의 한계를 극복하는 기술 등에 활용될 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

현재 영장류 모델을 통한 다양한 자극 연구를 진행하고 있으며, 뇌신경 모니터링을 포함한 통합 시스템을 개발하고 있다. 수년 이내에 이를 더욱 발전시켜 기술 개발의 고도화 및 임상 실험을 통한 실용성/안정성 검증을 진행할 예정이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

본 연구는 차세대 먹거리로 부상하고 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스, 뇌심부자극술 및 전자약을 시작으로 연구가 진행되었다. 뇌과학을 통한 뇌신경 모델링 및 메커니즘의 연구를 기반으로 IT 기술을 활용하여 정교한 뇌의 기능을 조절하는 연구를 통해 기존의 의료기술의 한계를 극복하고자 하였으며, 그 과정에서 중요한 요소 중에 하나인 부작용의 억제와 배터리 문제를 해결하고자 본 연구를 진행하게 되었다. 본 연구의 결과로서 역치이하 자극을 이용해 뇌가소성을 조절하였으며 이는 차후 진행될 뇌신경 모니터링 및 자극 기술에 활용될 예정이다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

본 연구는 기존의 불특정 뇌영역에 대한 인위적 자극을 통한 뇌신경 자극기술과는 달리 타겟 시냅스 전단의 활성화를 증폭하는 기술로써 시냅스 전단과 후단의 자연스러운 생리학적 신경 신호 전달을 불러온다. 이는 기존 기술의 문제점인 넓은 범위의 자극에 의한 부작용 및 배터리 소형화의 문제점을 해결할 수 있는 방법으로써 적은 에너지를 통해 효율적으로 뇌신경을 조절하는 기술을 개발했다는데 그 의의가 있다.

Q. 이루고 싶은 목표는?

지금까지 의료기술은 약물 및 임상을 토대로 비약적으로 발전하였다. 하지만 뇌질환의 경우 아직 정복되지 않은 많은 질병들이 존재하며, 이는 뇌신경망 및 메커니즘의 연구와 IT기술의 적용을 통해 극복될 것으로 기대한다. 이러한 연구의 고도화를 통해 생명연장뿐만 아니라 뇌질환의 걱정이 없는 삶의 질이 높은 미래를 만드는데 기여하고자 한다.

 

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그림 설명


[그림 1] 역치이하 자극을 통한 뇌신경 활성화 조절 및 뇌가소성 조절 개요

 

 

 

 

기존보다 최대 40배 이상 빠른 새로운 방식의 파일 시스템 개발 이미지4

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135