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소형 전자 칩 이식, 뇌 및 신경계 질환 치료 물꼬 트나
등록일 : 2018-08-06 15:35 | 최종 승인 : 2018-08-06 15:35
심현영
▲뇌를 스캔하기 위해 환자의 머리에 전극을 두는 의사(출처=123rf)

[메디컬리포트=심현영 기자] 뇌파 측정을 위해서는 뇌 신호를 전달하고 수집하기 위해 전극을 필요로 하지만 감염 및 기타 안전 문제를 일으킬 수 있다. 이에 퍼듀대학 연구진이 뇌 신호를 덜 위험한 방식으로 읽는 대안을 개발했다.

신경검사 전자칩은 무선으로 데이터를 전송하며, 스마트폰의 무선 충전과 비슷한 방식으로 전원을 공급받을 수 있다. 해당 기술은 아직 초기 단계지만 이 전자칩을 사용해 신경 질환으로 고통받는 수백만 명을 도울 수 있다.

중추신경 질환용 무선 전자칩

뇌와 신경세포에서 신경 정보를 직접 가져오는 일반적인 방법은 BMI 응용이다. BMI는 환자의 운동 또는 감각 문제를 발견하기 위해 뇌 신호를 번역하는 프로그램이나 로봇 또는 이 둘의 조합 일 수 있다.

안타깝게도, 뇌파 검사(EEG)를 비롯한 일부 BMI는 판독 정확성을 확보하기 어렵다. 뇌파 검사는 두개골을 통해 전기 신호를 제대로 읽을 수 없기 때문에 전문의가 전극을 뇌의 회백질에 직접 삽입해야 하며, 감염 위험이 있다.

퍼듀대학 연구진은 기존 BMI의 문제점을 해결하기 위해 작은 전자 칩을 만들었다. 이 칩은 먼지와 같은 크기로, 작동시킬 때 배터리가 필요 없다. 대신 뇌를 비롯한 외부에서 생성된 전자기파를 이용해 구동한다. 연구팀이 여러 개의 신경 말단에서 신호를 읽는 데 필요한 일련의 미세 전극을 설치할 수 있도록 수정한 것을 제외하면, 이 새로운 칩은 시판되고 있는 칩의 부품을 이용해 제작했다.

본 연구의 수석 저자이자 퍼듀대학 컴퓨터공학과 교수인 사이드 모함마디 박사는 "이 발명은 두뇌 및 중추 신경계, 다양한 신경 질환 및 신경자극제에 대한 이해를 증진시킨다"고 말했다.

생의학 응용 분야의 잠재력

기술 검증 절차에서 특정 부위에 성공적으로 이식된 칩은 신경 센서와 통합돼 필요한 뇌 신호를 얻을 수 있다. 무선 데이터 전송을 통해 신경학자는 컴퓨터의 판독 값을 분석할 수 있다.

해당 판독 값은 신경 결손 및 신경 절단을 포함하는 중추 신경계 장애의 진단 및 치료에 유용하다.

해당 칩은 표준 BMI에 비하면 크기가 매우 작지만, 연구원들은 매우 안전하게 높은 데이터 전송률을 처리하도록 설계했다. 해당 칩의 설계 요소는 향후 생체 의학적 이식 상황에 맞춰 가변적으로 적용될 수 있다. 현재 전망으로는, 해당 칩은 신경 말단이 존재하는 신체의 거의 모든 부분에 이식될 수 있다.

모함마디는 "어쩌면 우리는 뇌 조직과의 생체 적합성이 더 뛰어나며, 훨씬 더 좋은 성공률로 인간의 뇌 또는 신경 결말에 이식할 수 있는 기술을 제공할 것"이라고 강조했다.

BMI의 치료적 설계

알츠하이머나 신경 마비와 같은 신경계 질환을 앓는 환자의 치료를 지원할 목적으로 고안된 BMI의 여러 기법이 있다.

지난 5월, 과학자들은 '상태 의존 리카티 방정식 조절'이라는 전략을 적용한 새로운 계산법을 만들었다. SDRE 전략은 특정 계산 모형을 사용해 뇌와 같이 역동적인 비선형 체계로부터 전달되는 신호를 최적화하는 것이 가능하도록 만들었으며, 계산 모형을 통해 뇌 자극에 효과가 없는 뇌 영역을 식별하도록 했다.

동 시기 또 다른 연구는 간질 환자를 위한 치료법을 다뤘다. 이 치료법은 약물 처방이나 심리 치료로는 잘 호전되지 않는 우울증 환자에게 주로 사용되는 반복적 경두개 자기자극술, 내지는 rTMS를 사용했다. rTMS는 일반적으로 동물과 인간의 두뇌에 위치한 운동피질을 자극하지만, 우울증 치료의 경우 rTMS는 전두엽피질을 자극 부위로 삼으며 과학자들은 해당 영역의 메커니즘에 대해 여전히 불확실하다.

따라서 연구팀은 간질환자 4명에게 전전두엽 피질의 rTMS 치료법을 재현했다. 환자들은 기존에 질환을 통제하기 위해 이미 뇌 전극을 이식받은 상태다. 전극을 사용해 연구팀은 뇌 활동을 연구할 수 있었고, rTMS가 참가자의 전전두엽 피질을 자극시킨다는 점을 발견했다.

지난 1월, 연구원들은 뇌졸중으로 인한 마비 환자의 손 기능을 회복하기 위해 로봇 장치에 BMI를 부착했다. 연구원들은 환자가 BMI에 연결돼 있는 동안 실제 움직임을 수행하지 않고 손을 펴는 것을 상상해 보라고 지시했다. 이후 환자들의 손을 BMI와 연결한 로봇 장치에 놓았다. 운동피질과 손을 편다는 생각의 동기성 자극을 통해, 환자들은 로봇의 손을 움직이기 시작할 수 있었다.

BMI에 대한 연구는 신경 장애 및 정신 질환 상태에 있는 환자들, 인공기관에 의존하는 사람들, 운동마비로 고통받는 사람들 및 뇌졸중 합병증을 앓는 환자를 위한 수많은 치료 전략을 열 수 있다. 나노 기술, 인공 지능 및 로봇 공학을 적용하면 과학자들은 BMI와 관련된 위험도를 줄일 전망이다.

▲빠르게 변하는 자기장으로 뇌의 전두엽을 자극하는 기법인 rTMS 치료(출처=Health.mil)

[메디컬리포트=심현영 기자]

[메디컬리포트=심현영 기자]

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