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의료 뇌기능 향상 위한 전기 자극…세포간의 상호관계 규명
메디컬투데이 지용준 기자
입력일 : 2019-02-25 14:10:48
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뇌기능 향상 및 뇌질환 치료 개선에 기여할 것으로 기대
[메디컬투데이 지용준 기자]

GIST 전기전자컴퓨터공학부 전성찬 교수 연구팀이 뇌기능 향상 및 뇌질환 치료에 널리 사용되는 전기 자극의 영향력을 예측하는 정확도 높은 컴퓨터 기반 시뮬레이션 가이드라인을 제시했다.


연구팀은 기억력 또는 학습능력 증진과 같은 뇌기능 향상과 뇌졸중, 파킨슨 병, 우울증 등의 뇌질환 치료법으로 주목받고 있는‘뇌 전기 자극’기법들 중 비침습적 뇌 전기 자극(Non-invasive brain stimulation)이 미치는 영향을 거시적 미세 레벨에서 예측하고 상호관계를 규명했다.

뇌 전기 자극법은 기억력, 창의력, 연산 능력 향상부터 우울증, 간질, 조현병, 치매의 증상 개선 등 뇌 기능과 관련된 여러 영역에 응용되고 있다. 그러나 높은 활용성에도 불구하고 뇌의 어느 영역이 자극되는지, 해당 영역의 신경 세포가 어떤 반응을 보이는지에 대해 아직 밝혀지지 않은 상태이다. 따라서 개개인별 일관되지 않은 효과가 보고되고 있으며, 정확한 가이드라인 없이 시행되고 있는 실정이다.

전기 자극의 효과를 예측하기 위한 뉴로네비게이션 시스템이 가장 활발히 사용되고 있다. 대다수 연구팀은 전기 자극이 미치는 영향을 예측하기 위해 자기공명영상(magnetic resonance imaging; MRI)을 이용해 뇌의 구조적 특징을 복원하고 두피에 전극을 부착한 뇌 정교 컴퓨팅 모델을 구현해 외부 전기 자극에 의해 유도되는 전류 분포를 통해 전기 자극의 효과를 예측해 왔다.

최근 전기 자극의 효과를 더욱 정밀히 예측하기 위해 신경세포 모델을 뇌 컴퓨팅 모델과 결합하여 자극에 의한 활성화 정도를 시뮬레이션하는 멀티스케일 모델링 기법이 제안되었다. 하지만 해부학적으로 정교한 뇌 모델의 구조가 복잡해 신경세포 모델과의 결합이 간단하지 않아 복잡한 처리 과정과 상당 계산 시간을 요구하기 때문에 일부 연구팀에서만 결과를 보고하고 있는 실정이다.

전 교수 연구팀은 비침습적 전기 자극을 위한 멀티스케일 모델링을 구축하여 전기 자극이 미치는 영향을 거시적 단계 분석에 해당하는 전류 분포뿐만 아니라 미세 단계 분석인 신경세포 활성화 반응에 대해 연구하고 상호관계를 규명하였다.


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이번 연구를 위해 세 가지 형태의 신경세포 모델(별모양 또는 피라미드 모양)을 이용해 유도 전류가 흐르는 방향에 따라 신경세포 활성에 미치는 영향을 시뮬레이션 하였다. 그 결과, 신경세포의 활성화 반응을 일으키지 않고 막전위 값을 변화시키는 역치 아래의 자극에 대해서 전류 분포와 신경세포의 반응간의 피어슨 상관계수가 0.8 이상으로 높은 상호 관계를 보였다.

또한 역치 이상의 자극의 경우 복잡한 신경세포 활성화 반응 패턴을 보임으로서 멀티스케일 모델링을 통한 예측이 중요함을 확인하였다.

전 교수는“이번 연구는 컴퓨터 기반 뇌 자극의 영향을 세포 단위에서 규명함으로서 뇌의 기능을 이해하고 증진하는데 기여할 것”이라며 “인구고령화에 따른 뇌관련 질환 치료를 돕는 전기 자극 뉴로네비게이션 시스템의 가이드라인을 제시해 치료 효과를 높일 뿐만 아니라 다양한 뇌기능 향상을 위해 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구성과는 신경 조절 저명 학술지((IF 6.12, JCR 랭크 상위 9%)인‘Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation’에 2019년 1월 22일자로 게재됐다.  
메디컬투데이 지용준 기자(yjun89@mdtoday.co.kr)
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