인공 시각 성능 향상 실마리 발견
인공 시각 성능 향상 실마리 발견
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.21 15:00
  • 조회수 594
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

국내 연구진이 인공 망막 장치의 성능을 향상시킬 실마리를 찾았습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 바이오마이크로시스템연구단 임매순 박사팀은 하버드 의대 Shelley Fried 교수팀과의 공동 연구를 통해 망막 질환의 진행 정도에 따른 인공 시각 신경 신호 변화 패턴을 확인했다고 밝혔습니다. 해당 연구는 <IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering>에 게재됐습니다. 

눈 검사만으로 알츠하이머를 진단할 수 있는 길이 열릴지도 모릅니다. 출처: pixabay
인공 망막 장치 성능 향상시킬 수 있을까.  출처: pixabay

망막 색소 변성 질환, 이식·교체 어려워

 

망막 색소 변성 및 노인성 황반 변성 등의 망막 변성 질환은 빛을 전기화학적 신경 신호로 변환해주는 광수용체 세포들을 파괴해 시력을 잃게 되는 질병입니다. 해당 질병들은 치료 약물이 존재하지 않고 구조가 상대적으로 간단한 각막이나 수정체와 달리 복잡한 신경 조직인 망막은 이식이나 교체가 불가능합니다.

  •  노인성 황반 변성 (Age-related Macular Degeneration, AMD)

망막 중심부에서 고해상도 시야를 담당하는 황반에 문제가 생겨 점진적으로 시력을 상실하는 망막 질환입니다. 발병 원인은 밝혀지지 않았으나 연령과 함께 발병률이 증가하여 70세 이상에서 5명 중 1명꼴로 발병하는 것으로 알려졌습니다. 선진국의 고령 인구에서 시력 상실을 초래하는 가장 흔한 질환이입니다.  건성 황반변성과 습성 황반변성으로 나뉩니다. 일반적으로 습식 황반변성에서 심각한 시력 상실을 보입니다.

  •  망막 색소 변성 (Retinitis Pigmentosa, RP)

망막의 광수용체 세포와 망막색소상피에 문제가 생겨 점진적으로 시력을 상실하는 망막 질환입니다. 주변부 시야부터 상실하여 터널 비전이 나타나다가 중심부로 진행됩니다. 세계적으로 약 4000명당 1명꼴로 발병하며 국내에도 1만 명 이상의 환자가 있는 것으로 알려져 있습니다.

다행히 광수용체 세포 뒷단에서 뇌로 신경 신호를 전달하는 신경절 세포들은 살아남기 때문에 안구 내에 마이크로 전극을 이식해 전기적으로 자극하면 인공 시각을 형성할 수 있습니다. 이러한 원리로 동작하는 인공 망막 장치는 망막 변성 질환으로 실명한 환자들의 유일한 시력 회복 방법입니다. 하지만, 이식받은 환자마다 큰 성능 차이를 보이는데 그 원인을 알지 못해 일반적으로 적용하기 어려운 상황입니다.

 

전기 자극에 대한 신경신호 크기와 일관성 감소

 

KIST 연구진은 사람의 망막 색소 변성과 비슷한 양상으로 실명하게 된 유전자 조작 실험용 쥐에서 인공 망막 사용자 간의 성능 차이를 설명할 수 있는 실험 결과를 얻었습니다. 지금까지는 정상 망막이나 심하게 질병이 진행된 망막에서 연구가 이루어져 왔으나 연구진은 질병이 진행되는 과정에서 인공 시각 신경 신호 변화를 확인할 수 있도록 체계적인 실험을 수행했습니다. 그 결과, 망막 변성이 진행됨에 따라 전기 자극에 대한 신경 신호의 크기와 일관성이 감소하는 것을 확인했습니다. 

(위) 인공 망막 장치 이식 및 인공 시각 신경 신호에 의한 뇌 시각 피질의 활성화 개념도. (중간) 정상 망막은 반복적인 전기 자극에 대해 비슷한 신경 신호를 뇌로 전달하여 시각 정보(예시-KIST 글씨)를 사용자가 정확하게 인지할 수 있음. (아래) 변성 망막에서는 동일 전기 자극에도 서로 다른 신경 신호가 뇌로 전달되어 시각 정보를 정확하게 인지하지 못함. 출처: KIST
(위) 인공 망막 장치 이식 및 인공 시각 신경 신호에 의한 뇌 시각 피질의 활성화 개념도. (중간) 정상 망막은 반복적인 전기 자극에 대해 비슷한 신경 신호를 뇌로 전달하여 시각 정보(예시-KIST 글씨)를 사용자가 정확하게 인지할 수 있음. (아래) 변성 망막에서는 동일 전기 자극에도 서로 다른 신경 신호가 뇌로 전달되어 시각 정보를 정확하게 인지하지 못함. 출처: KIST

인공 망막 장치는 반복적인 전기 자극으로 인공 시각 이미지를 주기적으로 갱신합니다. 이 때문에 일관된 신경 신호를 받는 것이 중요합니다. 예를 들어, 사용자가 알파벳 'K'를 계속 응시하는 동안에는 반복되는 전기 자극들이 모두 'K'를 의미하는 신경 신호를 형성해야 해당 글자를 인지할 수 있습니다. 그러나, 변성 망막에서 일관성이 낮아지게 되면 'K'를 바라보고 있는데도 각각의 전기 자극이 'L', 'R', 'S' 등 서로 다른 알파벳을 나타내는 신경 신호를 뇌로 전달해 무엇을 보고 있는지 해석하기 어렵게 되는 겁니다. 

 

KIST 연구진의 실험에서는 각 신경 세포에 동일한 전기 자극을 여러 번 반복했을 때 발생하는 신경 신호가 서로 얼마나 비슷한지 평가했습니다. 정상 망막에서는 신경 신호가 매우 비슷해 높은 일관성을 보였으나 망막 변성이 진행됨에 따라 일관성이 크게 감소하는 것이 확인됐습니다.

망막 변성 질환 진행 정도에 따른 신경 신호 일관성 실험 결과. 출처: KIST
망막 변성 질환 진행 정도에 따른 신경 신호 일관성 실험 결과. 출처: KIST

제 1저자인 윤영준 박사와 이재익 박사는 "변성된 망막에서는 시선을 고정하고 있더라도 계속 서로 다른 신경 신호가 뇌로 전달되어 전기 자극으로 만들어진 인공 시각 정보 인지를 저하시키는 원인이 되는 것으로 보인다"라고 밝혔습니다. KIST 임매순 박사는 "망막 변성 질환들은 환자에 따라 그 질병의 경과가 다른 것으로 알려져 있고, 인공 망막 장치를 이식받을 대상의 망막 상태도 매우 다를 수 있다"며 "따라서, 좋은 품질의 인공 시각을 위해서는 망막 변성 진행 정도를 면밀히 검토하여 인공 망막 장치 이식 대상 및 시기를 결정해야 한다는 것을 의미한다"고 말했습니다. 이어 "변성이 많이 진행된 망막에서도 우수한 인공 시각을 형성하기 위해 신경 신호 일관성을 높이기 위한 연구를 다방면으로 진행하고 있다"고 덧붙였습니다.

 


##참고자료##

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2020 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트