[카테고리:] HL트렌드

카이스트 연구팀과 미국 미시간 대학 연구팀이 공동으로 ‘스마트 워치’를 활용해 우울증 관련 증상을 예측하는 기술을 개발했다. 스마트 워치로 수집할 수 있는 활동량 데이터 및 심박수 데이터 등을 분석해 증상 발생 위험을 예측하는 방식이다.

약 10억 명. 전 세계적으로 크고 작은 정신질환을 앓는 인구 수다. 2023년 기준으로 집계된 세계 인구는 약 80억 명 수준이니, 대략 7~8명 중 1명이 어떤 형태로든 정신건강 문제를 겪고 있다는 의미다. 

우리나라도 예외가 아니다. 2023년 기준 우울증 환자 약 104만 명, 불안장애 환자 약 88만 명이다. 건강보험심사평가원에서 ‘정신 및 행동장애’로 집계한 수는 약 410만 명이다. 강박증이나 조현병, PTSD와 같은 다양한 질환을 합하면 우리나라 역시 간과할 만한 상황은 아니다.

‘생체리듬 측정’의 어려움

세계보건기구(WHO)에 따르면 정신질환 치료에서는 뇌 시상하부가 조절하는 생체시계(circadian clock), 즉 ‘생체리듬’과 와 수면 주기(sleep stage)에 중점을 두어야 한다. 뇌 시상하부는 충동성, 감정적 반응, 의사 결정 및 전반적인 기분 등에 직접적으로 영향을 주는 영역이기 때문이다. 

생체리듬이라는 용어는 그리 낯설지 않다. 흔히 바이오리듬(biorhythm), 일주기 리듬(circadian rhythm)이라 하기도 한다. 생물체의 생리적, 신경적, 호르몬적 과정이 특정 주기(보통 24시간)에 맞춰 변화하는 것을 의미한다. 

개념 자체는 익숙하지만, 실제로 생체리듬을 명확하게 측정하는 것은 꽤 까다로운 절차를 필요로 한다. 정석대로 한다면 하룻밤 동안 30분 간격으로 혈액 샘플을 채취해 ‘멜라토닌(melatonin)’ 호르몬의 농도가 어떻게 변화하는지를 측정해야 한다. 멜라토닌이 수면-각성 주기를 조절하는 주요 호르몬이기 때문이다.

여기에 더해 수면의 질과 구조를 측정하기 위해 ‘수면다원검사(PSG)’를 실시하면 좋다. 이를 통해 각 수면 단계에 관한 상세 정보를 파악할 수 있고, 수면 장애가 있는 여부도 확인할 수 있다.

이 방법은 비교적 높은 정확성이 보장되지만 일상적인 상황에서는 실행하기 어려운 방법이다. 시간적인 문제도 그렇지만, 비용 부분도 최대 100만 원에 이르는 등 상당히 부담스러울 수 있기 때문이다.

간접 데이터 정확성 높이는 필터링 기술

카이스트-미시간 대학 공동연구팀은 이런 한계점들을 해결할 수 있는 방안에 주목했다. 이미 가능성이 있는 도구는 널리 보급돼 있다. 바로 스마트 워치를 비롯한 웨어러블 기기다. 상당수의 사람들이 사용하고 있는 기기이며, 생체리듬 파악을 위한 검사 비용에 비하면 가격도 저렴한 편이다.

무엇보다 웨어러블 기기는 항시 착용하고 다니는 경우가 많으므로, 공간 제약 없이 실시간으로 심박수, 체온, 활동량 등 다양한 생체 데이터를 수집할 수 있다. 다만, 현재로서는 ‘간접적인 정보’만을 제공하는 데 그치고 있으며, 특성상 데이터의 정확성을 100% 신뢰하기 어렵다는 문제가 있다.

공동연구팀은 스마트 워치를 사용해 수집한 데이터로부터 생체리듬을 정확히 추정할 수 있는 ‘필터링(Filtering)’ 기술을 개발했다. 웨어러블 기기로 수집한 생체 데이터에서 노이즈를 제거하고, 유용한 정보만을 추출하는 기술이다. 

이는 뇌 속 일주기 리듬을 정밀하게 묘사하는 ‘디지털 트윈(Digital Twin)’을 구현한 것이다. 이를 활용해 일주기 리듬을 시뮬레이션하고, 이를 바탕으로 생체리듬 변화를 예측할 수 있다.

우울 증상 여부 상시 모니터링 가능

한편, 공동연구팀은 이 기술을 활용해 우울증 관련 증상을 예측할 수 있다는 것도 확인했다. 약 800명의 교대 근무 종사자들을 대상으로 한 연구를 통해, ‘내일의 기분’과 우울증과 관련된 6가지 증상을 예측해낼 수 있었다. 여기에는 수면 문제, 식욕 변화, 집중력 저하, 자살 생각 등이 포함된다.

카이스트 뇌인지과학과 김대욱 교수는 “그동안 웨어러블 생체 데이터는 제대로 활용할 수 없었다”라며 “수학을 활용해 이 데이터를 실제 질병 관리에 적용할 수 있는 실마리를 찾을 수 있어 매우 뜻깊다”라고 전했다. 

한편, 김 교수는 “이번 연구를 통해 연속적이고 비침습적인 정신건강 모니터링 기술을 제시할 수 있을 것”이라고 이야기했다. 이를 통해 우울 증상을 스스로 자각하지 못하거나 인정하지 않는 경우 객관적인 근거가 돼 줄 수 있을 것이다. 이는 사람들이 보다 능동적으로 정신건강 관리 및 치료에 나설 수 있게 하는 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.

일론 머스크는 자신이 설립한 뇌-컴퓨터 인터페이스 기업 ‘뉴럴링크(Neuralink)’에서 세 번째로 시술받은 사람이 나왔다고 전했다. 일론 머스크는 약 1년 전 첫 번째로 시술받은 사례가 나온 이후, 기기를 꾸준히 업그레이드했다고 언급했다. 올해 20명~30명 가량의 추가 시술이 이루어지기를 희망한다고도 전했다.

BCI 연구의 현 주소

뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)는 뇌에서 발생하는 전기 신호를 컴퓨터가 감지하고 해석해, 외부의 기기와 상호작용할 수 있게 해주는 기술이다. 쉽게 말해, ‘생각만으로도 기기를 조작할 수 있게 하는 기술’이다.

BCI는 일론 머스크의 높은 인지도에 의해 보다 널리 알려진 경향이 있다. 하지만 실제로 BCI를 주요 테마로 연구하는 기업이나 기관은 꽤 많다. 뇌혈관에 삽입할 수 있는 소형 임플란트를 개발한 싱크론(Synchron), 신경계 환자들이 로봇 팔을 사용할 수 있는 시스템을 구축한 블랙락 뉴로테크(Blackrock Neurotech) 등이 대표적이다.

이밖에도 다양한 주제로 BCI 연구가 이루어지고 있다. 미국 국립보건원(NIH) 산하 연구 데이터베이스인 ‘클리니컬 트라이얼스’에는 현재 45개의 BCI 연구가 등재돼 있다. 

BCI 기술의 가능성

현재 연구 중인 BCI 관련 주제들을 살펴보면, 뇌 질환 치료부터 신경계가 마비된 환자에 대한 지원 기술 등 의료 분야 연구의 비중이 크다. 실제로 BCI는 신경계 질환 치료, 손상된 뇌 기능 회복, 인지 능력 향상 등 의학적으로 혁신이라 할만한 잠재력을 가지고 있다. 인간과 인공지능 사이의 경계를 허물 것이라는 다소 극적인 전망도 있다.

중요한 것은, 회복이 불가능하다고 알려진 것을 포함해 다양한 신경계 질환을 치료할 수 있는 가능성이다. 이는 환자들의 삶을 되찾는 것은 물론, 신경계 손상으로 장애를 갖게 된 사람들도 원활한 사회적 상호작용을 할 수 있는 기회를 제공할 것이다. 인간의 인지 기능을 대폭 확대하는 것 역시 충분한 가능성을 가지고 있다.

현재까지 이루어낸 성과 중 주목할 만한 것도 여럿 있다. 뇌의 신경 신호로 로봇 팔을 제어하는 기술, 척수 손상 환자가 운동 기능을 회복할 수 있는 가능성을 발견했다는 것 등이 대표적이다. 이외에 뇌에서 발현되는 신경 신호를 비침습적으로 측정하는 기술, 이를 정교하게 해석하고 예측하는 기술, 정신계 질환 치료를 위한 기술에서도 성과를 거두고 있다.

안전성과 사생활 보호가 중요

당연히 가장 중요한 것은 ‘안전성’과 ‘신뢰성’이다. BCI 시스템은 특성상 뇌에 직접 연결된다. 뇌는 미세한 손상으로도 영향을 받을 수 있는 주요 장기다. 기계 장치를 뇌에 삽입하는 방식인 경우, 뇌와 신경계에 미치는 영향이 어느 정도인지, 오랫동안 사용해도 안전할 것인지에 대한 문제를 보장할 수 있어야 한다.

다음 이슈는 윤리적 문제와 개인정보보호다. BCI 기술은 ‘생각하는 것만으로 어떤 행동을 할 수 있는 것’이 본질이다. 바꿔 말하면, 생각하는 내용이 자신도 모르는 사이에 드러날 수 있다는 의미다. 

알다시피 생각이라는 것은 때때로 개인의 의지로 통제할 수 없는 경우가 많다. 본능적으로 떠오르는 감정이나 속마음 같은 것들은 더욱 그렇다. 이러한 문제는 사생활 보호 측면에서도 중요하다. BCI의 상용화까지는 아직 많은 시간이 필요할 것으로 보이지만, 이미 드러나 있는 근본적 문제인 만큼 이에 대한 해결책을 마련해가야 할 것이다.

이밖에 사용자 편의성과 비용 문제 등이 있다. 다만 이것들은 기술 연구가 이루어지는 과정에서 자연스럽게 어느 정도 해소될 것으로 기대된다. 

영국 옥스퍼드 대학 연구진이 ‘트라이옥스(TriOx)’라는 명칭의 혈액 검사법을 공개했다. 머신러닝을 기반으로 혈액 내 DNA 특징을 분석하는 원리로, 여러 유형의 암을 초기 단계에서 발견할 수 있는 것으로 알려졌다. 

침습 부담 적은 검사법

「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)」에 발표된 연구에 따르면, TriOx는 대장암, 식도암, 췌장암, 신장암, 난소암, 유방암 등 6가지의 암 유형을 초기 단계에서부터 정확하게 탐지할 수 있다. 또한, 암이 있는 사람과 없는 사람을 확실하게 구별하는 것도 가능하다. 아직 개발이 진행 중인 단계에 있음에도 주목할 만한 성과를 보여 향후 더 뛰어난 진단 능력을 기대해볼 만하다.

혈액 등 체액을 분석하는 이른바 ‘액체 생검(Liquid Biopsy)’은 기존의 조직 생검과 같은 침습적 진단 검사의 대안으로 주목받아왔다. 검사에 대한 부담이 적기 때문에, 혈액을 통해 확인할 수 있는 정보가 많아질수록 향후 유망한 검사법으로 각광받기에 충분하다.

연구팀은 TAPS(Templated Amplification of Polymerase Sequences)라 불리는 첨단 DNA 분석 기술을 머신 러닝과 결합했다. TAPS는 매우 적은 양의 DNA도 감지할 만큼 감도가 높고, 신속하게 분석해낼 수 있다. 이를 통해 혈액을 통해 순환하는 DNA의 특징을 분석·결합했다. 암 세포가 발산하는 DNA 변화를 미세한 수준까지 감지해낼 수 있는 방법을 구축한 것이다.

90% 전후의 높은 정확도

연구팀은 검사 정확도를 판별하기 위해 실제 임상 현장으로부터 여러 환자의 혈액 샘플을 제공받았다. 암을 앓고 있는 환자와 다른 질병을 가진 환자, 그리고 아무런 질환이 없는 사람의 혈액을 무작위로 검사해 진단 능력을 확인하는 방식이었다.

그 결과, 민감도 94.9%, 특이도 88.8%라는 결과가 나왔다. 민감도는 ‘실제 질병을 가지고 있는 사람을 얼마나 잘 감지하는지’를 나타내는 지표다. 즉, 샘플을 제공받은 암 환자 100명 중 약 95명을 정확하게 진단해낸 셈이다. 

반대로, 특이도는 ‘질병이 없다는 것을 명확히 감지하는지’를 나타내는 지표다. 샘플을 제공한 환자 중 암이 아닌 경우, 그리고 아무런 질환이 없는 경우를 88.8% 확률로 맞췄다는 의미다. 질환이 없는데도 불필요한 시술을 받는 경우를 예방하는 데 기여할 수 있다.

이번 연구의 수석을 맡은 옥스퍼드 대학 종양학과 안나 슈 교수는 “이 검사는 아직 개발 초기 단계이지만, 향후 전 세계 수백만 명의 생존율을 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있다”라며 “정기적인 혈액 검사만으로 더 이른 시기에 암을 발견할 수 있게 해줄 것”이라고 이야기했다.

초기 발견 어려운 암 진단에 기대

여러 암 중에서도 특히 췌장암과 난소암은 병기가 상당 수준으로 진행될 때까지 알아차리지 못하는 경우가 많다. TriOx 검사법이 보다 정교하게 다듬어진다면 훨씬 많은 환자들이 적시에 합당한 비용만으로도 치료를 받을 수 있게 될 것으로 기대된다.

연구팀은 향후 보다 큰 규모의 환자 그룹을 대상으로 TriOx의 검증 및 개선 작업을 진행 중이다. 당연히 더 많은 암 유형을 진단할 수 있도록 하는 작업도 병행하고 있다. 궁극적인 목표는 암 조기 발견을 혈중 콜레스테롤 수치 검사나 혈당 검사만큼이나 간편하게 만드는 것이다.

암은 발견이 빠를수록 치료 가능성이 높다. 당연히 개인과 의료 시스템이 감당해야 하는 비용도 훨씬 낮아진다. TriOx를 비롯해 혈액을 기반으로 하는 다양한 검사법들이 공중보건은 물론 사회적 비용 효율화에도 기여할 수 있을 것이다.