뇌 신경질환 치료 효율 높일 차세대 전기자극법 개발
뇌 신경질환 치료 효율 높일 차세대 전기자극법 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.07.20 19:09
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DGIST(총장 국양) 뇌공학융합연구센터 최지웅 센터장, 정보통신융합전공 장재은 교수, 뇌·인지과학전공 문제일 교수 공동연구팀이 뇌신경 질환 치유를 위한 전기 자극 기술 및 모니터링 기술을 개발했다고 20일(화) 밝혔습니다. 이번 연구는 기존의 뇌자극 치료 연구의 기술적 한계를 넘어 미래 뇌신경 관련 기술 개발에 큰 도움을 줄 것으로 기대됩니다.

왼쪽부터 문제일 뇌·인지과학전공 교수, 최지웅 뇌공학융합연구센터장, 장재은 정보통신융합전공 교수. 출처 : DGIST
왼쪽부터 문제일 뇌·인지과학전공 교수, 최지웅 뇌공학융합연구센터장, 장재은 정보통신융합전공 교수. 출처 : DGIST

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

 

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 발생합니다. 또한 지속적인 자극을 요하는 경우, 더 많은 배터리 용량이 요구되며 인체 내 배터리 교체를 위한 수술 횟수 증가 등 어려움이 있습니다.

*역치 이상 자극(suprathreshold) : 신경은 일정 강도 이상의 자극이 가해져야 자극의 변화를 느낄 수 있는데 그 때의 일정 강도치를 뜻함.

 

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

**뇌신경 가소성(Neuroplasticity) : 뇌세포의 일부분이 죽더라도 재활 치료를 통해 그 기능을 다른 뇌세포에서 일부 대신할 수 있게 하는 성질

역치이하 자극을 통한 뇌신경 활성화 조절 및 뇌가소성 조절 개요. 출처 : DGIST
역치이하 자극을 통한 뇌신경 활성화 조절 및 뇌가소성 조절 개요. 출처 : DGIST

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

 

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

 

이번 연구는 정보통신융합전공 김경수 박사졸업생(現캘리포니아대 신경학과 박사후연구원)과 뇌·인지과학전공 유승준 박사졸업생(現독일막스플랑크연구소 박사후연구원)가 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 바이오의료기술개발사업, DGIST 특성화지원 융합과학중점센터 사업 및 대구시의 지원을 통해 이뤄졌습니다. 연구 결과는 국제학술지 네이처(Nature)의 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 7월 8일자 온라인 게재됐습니다.

논문명 : Subthreshold Electrical Stimulation as A Low Power Electrical Treatment for Stroke Rehabilitation


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