뇌 전기 자극 정확성 높이는 시뮬레이션 기법 개발

    - 뉴런 활성화 효과 정확히 예측… 뇌질환 치료 효과 개선에 기여할 듯

    - 전성찬 교수팀, 네이처 자매지 Scientific Reports에 논문 게재

 

 

 

[그림 1] (가)는 자기공명영상 및 확산텐서영상을 이용해 뇌의 구조적․전자기학적 특성을 모방한 뇌 컴퓨팅 모델이다. 대뇌열구의 운동영역 위에 전극(파란색의 원)을 위치시키고 자극의 극성을 음극(-)과 양극(+)으로 설정했다. / (나)는 대뇌피질의 5층과 3층에 위치한 다른 형태의 피라미드 뉴런에 대한 활성화 영역의 범위도이다. 붉은색 영역이 자극에 의해 활성화된 영역이며, 임상에서 사용되는 자극의 최대치인 20mA의 세기에 반응하는 영역은 흰색 라인으로 표기했다. 양극(+) 자극인 경우 대뇌의 윗부분에 자극이 집중된 반면, 음극(-) 자극에 대해서는 대뇌 열구 깊은 영역 아래쪽까지 영향이 미치는 것을 확인할 수 있다.

 

 

□ 치매 등 뇌질환 치료를 위한 전기 자극이 뉴런 활성화에 미치는 영향을 보다 정확하게 예측할 수 있는 시뮬레이션 기법이 개발됐다.

 

  ∘ GIST(광주과학기술원) 전기전자컴퓨터공학부 전성찬 교수팀은 뇌질환 치료법으로 주목받고 있는 ‘뇌 전기 자극’이 뇌에 미치는 영향을 정확히 예측하기 위해 해부학적 뇌 모델과 뉴런 모델을 결합한 새로운 시뮬레이션 기법을 개발했다.

 

□ ‘뇌 전기 자극’이란 외부에서 가해지는 전기 자극을 통해 뉴런 활성화를 조절하는 방법으로 각종 뇌 질환 혹은 뇌 기능 향상에 사용되고 있다. 최근 그 치료 효과가 입증되면서 널리 사용되고 있지만, 치료 과정의 메커니즘에 대한 이해는 부족한 실정이다.

 

  ∘ 기존에는 뇌 자극 효과를 분석하기 위해 자극 유도 전기장을 통해 간접적으로 뉴런 활성을 예측하는데, 이는 뉴런의 형태‧성질‧위치에 따른 자극 효과의 변화를 반영하지 못하는 간접적 방법이다. 따라서 치료 효과에 영향을 미치는 자극의 목표 지점을 정확히 파악하기 어렵다는 면에서 한계가 있다.

 

□ 연구팀은 먼저 단순 형태의 뇌 모델과 자기공명영상 및 확산텐서영상*을 이용해 뇌의 구조적·전자기학적 특성을 모방한 뇌 컴퓨팅 모델을 구현했다.

 

  * 확산텐서영상: 물 분자운동의 확산이 방향에 따라 다르다는 성질을 이용해 뇌의 신경세포를 영상화 하는 기술

 

  ∘ 이어 구축된 뇌 모델에 운동 신경 전달의 중추 역할을 하는 피라미드 형태의 뉴런 모델을 가상적으로 결합한 후 전기 자극에 의해 뉴런이 활성화되는 예측 영역을 분석했다.

 

  ∘ 연구팀은 이 시뮬레이션을 통해 피라미드 형태의 뉴런 모델이 활성화 되는 영역을 해부학적 뇌 구조에 비추어 제시했다. (그림 참조) 특히, 자극의 극성이 음극(-)인 경우 양극(+)에 비해 대뇌 열구*의 깊은 영역에 위치한 손 운동 영역을 자극할 수 있다는 것을 찾아냈다.

 

  ∘ 즉, 기존 유도 전기장 분석은 극성에 따른 자극의 차이를 볼 수 없었던 것과 달리, 연구팀이 개발한 새로운 기법을 이용하면 뇌 전기 자극이 가해지는 특정 영역을 명확하게 유추하고, 극성에 따른 자극 영역의 차이를 예측할 수 있었다.

 

  * 대뇌 열구: 뇌의 전두엽과 두정엽을 나누는 기본적인 구

 

 

 

 

□ 전성찬 교수는 “이번 연구는 컴퓨터 기반 뇌 자극 예측 기법을 통해 특정 자극 조건에서의 환자별 치료 효과를 예측하기 위한 것”이라며 “환자의 상태에 적합한 더 나은 치료 전략을 제안하는 데 도움을 줌으로써 뇌 질환 치료 효과를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

 

□ 이번 연구는 GIST 연구원(GRI)*에서 지원하고 있는 GIST 창조적 도전과제와 KISTI(한국과학기술정보연구원)에서 수행하는 초고성능컴퓨터인프라 서비스 및 활용 활성화 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 논문은 네이처 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 6월 7일자에 게재되었다.   <끝>

 

* GIST 연구원(GRI) : GIST 내 연구소(센터) 8곳을 통합 관리하는 조직

 

 

대외협력팀