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[보도자료] 전성찬 교수팀, 컴퓨팅 모델로 ‘준침습성 뇌 전기 자극’ 효과 입증
- 이석호
- 등록일 : 2017.02.01
- 조회수 : 2253
컴퓨팅 모델로 ‘준침습성 뇌 전기 자극’ 효과 입증
- 두개골에 작은 티타늄 채널 심어 자극, 뉴런 활성화 11배…시뮬레이션으로 증명
- GIST 전성찬 교수팀, 네이처 자매지 Scientific Reports에 논문 게재
[그림 1] (가) 비침습적 자극의 경우 전류가 두피, 두개골, 뇌척수액 등으로 인해 퍼져나감으로서 극소한 전류만이 뇌에 도달한다. 반면 (나) 준침습성 전기 자극의 경우 전류가 티타늄 채널을 통해 뇌에 전달됨으로서 원하는 뇌 영역에 높은 전기 자극을 가할 수 있다.
□ GIST 전성찬 교수팀(전기전자컴퓨터공학부)이 새로운 뇌 질환 치료법으로 주목받고 있는 ‘준(準)침습성(semi-invasive) 전기 자극법’의 효과를 입증하는 데 성공했다.
∘ 연구팀은 자체 개발한 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 이용, ‘준침습성 전기 자극법’이 두피나 머리 가까이에서 전기 자극을 전달하는 ‘비침습적 뇌 자극’보다 10배 이상의 자극 효율을 가짐을 입증했다.
∘ 이번 성과는 안전하고 효율적인 뇌 전기 자극으로 뇌 질환을 치료할 수 있는 ‘준침습적 전기 자극’의 임상 적용에 기여할 것으로 기대된다.
□ ‘뇌 전기 자극’이란 외부에서 가해지는 전기 자극을 통해 뉴런 활성화를 조절하는 것으로, 각종 뇌 질환 혹은 뇌 기능 향상에 사용되고 있다.
∘ 현재 의료 현장에서는 수술을 하지 않는 비침습적* 방법이나 수술을 위해 개두(開頭)를 하는 침습적* 방법으로 외부 전기 자극을 뇌로 전달하고 있다. 하지만 침습적 방법보다 안전하고 비침습적 방법보다는 자극 효율이 높은 ‘준침습성 전기 자극법’에 대해선 이론적으로 제안되었을 뿐 그 효과가 정확하게 입증되지 않았다.
* 비침습적 자극 방법: 수술 없이 두피에 전극을 부착하거나 머리 가까이에 전자기 코일을 위치시켜 전기 자극을 전달
* 침습적 자극 방법: 개두 후 전극을 뇌 깊숙이 위치시켜 전기 자극을 전달
[참고] 준침습성 전기 자극법 모식도. (가)비침습적으로 두피에 부착된 전극. (나)높은 전도도를 가진 티타늄 채널(지름 1㎜의 경우)이 두개골에 심어진 그림
□ 먼저 자기공명영상(MRI)을 이용해 뇌의 구조적 특징을 복원한 연구팀은 3차원 뇌 컴퓨팅을 이용해 두피에 전극을 부착하고 티타늄 채널을 두개골에 심은 뇌 모델을 구현했다.
∘ 이어 운동 신경 전달의 중추 역할을 하는 뉴런 모델을 뇌 모델에 가상적으로 결합한 뒤, 다양한 지름(1~9㎜)의 티타늄 채널(길이 5㎜)을 통해 가해지는 뇌 전기 자극의 영향력, 채널-전극 간 거리 변화에 따른 뉴런 활성화 양상을 분석했다.
∘ 그 결과 준침습적 방법은 비침습적 방법론에 비해 약 5배 높은 자극 집중도와 함께 최대 11배 높은 뉴런의 활성화 반응을 유도할 수 있었다. 티타늄 채널이 전극과 뇌 사이의 인터페이스 역할을 하면서 전극에서 가해지는 전류가 손실 없이 뇌에 전달될 수 있었다. (그림1 참조)
* (보충 설명) 티타늄 채널 없이 두피에 전극만 부착하는 비침습적 방법의 경우, 전극에서 가해지는 전류가 두피, 두개골, 뇌척수액 등으로 퍼져 극소량의 전류만이 뇌에 전달됨
[그림 2] (가)운동 피질(motor cortex)에 해당하는 중심앞이랑(precentral gyrus)를 타깃 영역(ROI)으로 지정하고 (나)비침습적/준침습적 자극에 따른 유도 전계(electric field) 분포를 관측했다. 그 결과, 준침습적 자극의 경우 전기 자극의 영향(빨강색)이 비침습적 자극에 비해 상대적으로 집중된 영역에 분포하는 것을 확인하였다. 유도 전계의 최대값 또한 비침습적 방법(0.15 V/m)보다 준침습적 방법(1.8 V/m)이 높게 나타났다.
[그림 3] 비침습적/준침습적 자극에 따른 피라미드 뉴런의 활성화 반응(뇌 운동 영역)을 비교 분석했다. 이때 뉴런의 수상돌기(dendrite; d1, d2), 핵(soma), 축색돌기(axon; b1, b2, terminal)에서의 세포막에서 외부 전압에 의해 변화하는 전위의 차(막전위; membrane potential)를 측정하였다. 준침습적 자극(나)의 경우 비침습적 자극(가)보다 뉴런의 모든 구역에서 높은 막전위 값을 보이고, 특히 핵(soma)에서 약 10배 높은 활성화 반응을 관측했다. 또한 준침습적 자극에 의한 활성화 반응(빨강색: 탈분극*, 파란색: 과분극*) 또한 타깃 영역 부근에 집중적으로 관측됐다.
□ 전성찬 교수는 “이번 연구는 준침습적 전기 자극법의 효용성을 컴퓨터를 이용한 뇌 자극 시뮬레이션을 이용해 입증한 것”이라며 “향후 준침습적 방법론이 실제 임상에 적용돼 더 나은 뇌 자극 치료 전략을 세우는 데 도움을 줄 것으로 기대한다”고 말했다.
(왼쪽부터) 전성찬 교수(교신저자), 서현 박사과정생(제1저자), 김형일 교수(제2저자)
□ 이번 연구는 GIST 연구원(GRI)*에서 지원하고 있는 GIST 창조적 도전과제와 함께 한국연구재단(NRF)의 개인연구자지원사업, GIST 과학기술응용연구단(GTI)의 실용화연구개발사업, KISTI(한국과학기술정보연구원) 초고성능컴퓨터인프라 서비스 및 활용 활성화 사업의 지원으로 수행됐으며, 논문은 네이처 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 1월 13일자에 게재되었다. <끝>
* GIST 연구원(GRI) : GIST 내 연구소(센터) 8곳을 통합 관리하는 조직
대외협력팀