초음파를 활용한 비침습적 뇌 자극술로 우울, 불안, 트라우마 등 정신건강 증상을 완화할 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 낮은 강도의 초음파를 활용해 편도체 영역에 있는 신경세포들의 과잉 활동을 조절하는 원리다.
저강도 경두개 집속 초음파 활용
미국 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 델 의과대학에서는 현지시각 24일(목) 네이처 그룹에서 발행하는 국제 학술지 <분자 정신의학(Molecular Psychiatry)>에 저강도 초음파 기반의 신경 치료법에 관한 연구 결과를 발표했다. 약물이나 수술 없이 비침습적 뇌 자극술로 뇌 깊숙히 위치한 영역의 활동까지 조절할 수 있을지를 명확하게 확인하는 것이 핵심 과제였다.
연구팀은 기분 및 불안 장애 등 다양한 정신건강 문제를 가지고 있는 환자 29명을 모집해 저강도 경두개 집속 초음파(transcranial Focused UltraSound, tFUS)를 활용한 비침습적 뇌 자극술의 실질적인 효과를 측정하고자 했다. 두개골을 통과하는 초음파를 발생시켜, 뇌의 편도체(Amygdala) 영역에 집중시킴으로써 치료 효과를 얻을 수 있는지를 확인한 것이다.
연구팀은 결과에 대한 객관성과 신뢰성을 높이기 위해 이중맹검(Double-blind) 방식을 채택했다. 어떤 환자가 진짜 치료군이고, 어떤 환자가 대조군(가짜 치료군)인지를 연구자와 환자 모두 모르게 함으로써 편견과 위약 효과(Placebo Effect)가 나타날 가능성을 최소화했다.
부작용 없는 비침습적 뇌 자극술
1차 시술 직후부터 편도체 활동이 즉각적으로 감소하는 결과를 보였다. 3주에 걸쳐 매일 같은 치료를 반복한 결과, 환자들은 우울, 불안, PTSD와 같은 증상은 물론, 부정적인 정서에서의 유의미한 개선을 보였다.
델 의과대학의 정신의학 및 행동과학과 조교수이자 연구의 제1저자인 그레고리 폰조 박사는 “편도체의 역할에 대해서는 오랫동안 관심이 집중돼 왔지만, 이 깊숙한 영역에 접근할 수 있는 방법은 뇌 수술 또는 대뇌 피질 자극을 통한 간접적 접근뿐이었다”라며 “tFUS를 활용하는 기술은 정신건강 문제를 치료하는 데 새로운 지평을 열 것”이라고 이야기했다.
tFUS를 활용한 비침습적 뇌 자극술은 외부에서 초음파를 전달하는 방식이므로 피부나 두개골을 절개할 필요가 없다. 뇌 표면의 피질은 물론 편도체처럼 깊숙한 곳에 위치한 영역에도 초음파를 전달할 수 있으며, 초음파 자체의 에너지 또는 미미한 수준의 열을 활용해 신경세포를 조절할 수 있다.
게다가 mm 단위의 작은 영역에만 선택적으로 집중하는 것도 가능하기 때문에, 공간적으로 매우 정밀한 시술이 가능하다는 장점이 있다.
이번 실험에서는 별다른 부작용 사례가 발견되지 않았다. 연구팀은 이를 토대로 대규모 임상시험을 설계할 수 있을 거라는 입장이다.
뇌 깊숙한 곳의 영역에까지 초음파를 전달해, 신경세포 기능을 조절할 수 있다 / 이미지 출처 : Motion Elements
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기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단에서 대뇌 표면에 견고하게 밀착할 수 있는 ‘신축성 전자패치’를 개발했다. 이를 통해 뇌 질환을 앓고 있는 환자 개개인에 맞춘 ‘전자약(electronic drug)’ 기술을 최초 구현했다. 전자약이란, 질병 치료 및 생체활동 회복 기능을 가진 전자장치를 일컫는 말이다.
난치성 뇌 질환 치료의 원리
약물 치료가 통하지 않는 난치성 뇌 질환 환자는 전 세계적으로 수천만 명에 달한다. 이들 질환은 파킨슨병과 같은 퇴행성 질환부터, 우울증과 같은 신경정신질환에서 약물 저항이 발생하는 경우, 그리고 그 외의 희귀성 질환까지 다양하다.
이를 치료하기 위해 병증이 발생한 조직을 자극해 증상을 완화하는 ‘경두개 집속초음파 신경자극술(Transcranial Focused Ultrasound, tFUS)’이 등장한 바 있다. 두피에 변환기를 장착하고, 초음파를 두개골에 투과시켜 뇌 조직의 특정 지점에 집중시키는 방식이다.
하지만 뇌 신경의 구조는 개인마다 다르다. 이 때문에 고정된 조건으로 신경자극을 가할 경우, 치료 효과가 일관되게 나타나지 않는 문제가 있었다. 개인에 따라서는 오히려 증상을 악화시키는 경우도 있었다.
이러한 문제를 극복하기 위해, ‘폐 루프 신경자극술(Peripheral Nerve Stimulation, PNS)’이 제안됐다. 초음파로 말초 신경을 자극하고 그에 따른 전기적 뇌파 변화를 감지해, 개인에게 맞는 자극 조건을 맞춤 제공하는 방식이다.
이는 초음파 기반의 신경치료체계를 확립하기 위해 무엇이 필요한지를 보여준다. 대뇌 표면에서 발생하는 전기신호(대뇌피질전도)를 실시간으로 감지해 활용할 수 있는 ‘뇌파 계측 기술(EEG)’이 필수적이라는 의미다.
기존 소재의 한계를 극복한 형상변환 전자패치
대뇌피질전도를 계측하는 데 사용하던 기존의 전극 소자는 강성이 높고 형태 적응성이 낮았다. 쉽게 말해 ‘딱딱한 성질을 갖고 있고, 고정된 형태를 유연하게 바꾸기 어렵다’라는 뜻이다. 이런 소재는 복잡한 굴곡이 있는 뇌 조직의 표면에 적용할 수 없다. 또한, 뇌의 미세한 움직임으로 인해 견고하게 고정되기도 어렵다. 장시간에 걸친 뇌파 계측에 한계가 있다는 것이다.
또한, 초음파 자극을 가할 경우 접촉면에서 음압 진동이 발생한다. 이때 음압 진동에 의해 극심한 잡음이 발생하기 때문에, 신경자극술을 수행하는 동안 전기적 뇌파를 측정할 수가 없다. 피드백 정보로 활용할 수 없다는 의미다.
연구진은 이러한 한계들을 해결하는 데 집중했다. 대뇌피질의 표면을 따라 정교하게 밀착되면서도, 조직 표면에 견고하게 부착될 수 있는 소재로 측정용 패치를 개발했다. ‘접착 하이드로 젤’과 ‘형상변형 기판’을 사용해 이중으로 구성한 패치와, 신축성이 있는 다중채널 미세전극소자를 결합해 제작한 ‘형상변형 대뇌피질접착 신축성 전자패치(이하 형상변형 전자패치)’다.
형상변형 전자패치는 접착 하이드로 젤이 대뇌 접촉면에서 체액과 상호작용해 표면에 부착된다. 형상변형 기판의 소재는 형태 변화가 용이한 데다가 주변 온도가 높으면 물성이 부드러워지는 성질(열 가소성)을 갖고 있다.
대뇌피질은 불규칙한 단차를 띠고 있고, 신체 온도에 따라 온도가 변한다. 형상변형 전자패치에 사용된 소재들은 이러한 환경에서도 견고한 밀착이 가능하다. 초음파 자극에 의한 음압 진동에도 잡음을 발생시키지 않을 정도로 정밀하게 고정될 수 있기 때문에, 대뇌피질전도를 높은 품질로 측정할 수 있다.
실시간 뇌파 진단 및 치료 자극 가능
이를 통해 연구진은 초음파 자극이 연속으로 가해지는 환경에서 뇌파 변화를 실시간으로 진단할 수 있는 방법을 개발했다. 이는 실시간으로 뇌파를 모니터링하면서, 적절한 조건으로 조정된 신경 자극을 제공할 수 있다는 뜻이다. 즉, 환자 개인의 뇌파 패턴에 따라 최적화된 자극을 가할 수 있다는 의미다. ‘전자약’이라는 표현이 딱 알맞는 대목이다.
그렇다면 이러한 뇌파 모니터링은 대상이 자유롭게 움직이는 상태에서도 가능할까? 이를 검토하기 위해, 연구진은 뇌전증이 유발된 쥐에게 형상변형 전자패치를 적용해 뇌파 모니터링 안정성을 검토했다. 그 결과 활발하게 움직이는 동안에도 모니터링 안정성이 유지된다는 것을 확인했다.
한편, 뇌전증 발작이 나타나기 전 발생하는 고주파 신호를 포착해, 발작 증상이 나타나기 전 이를 예측하고 초음파 자극을 가동해 발작을 억제하는 결과를 보였다. 초음파 자극이 가해지는 동안, 치료 효과가 충분치 않으면 자극 조건을 조정해 발작을 억제하는 것도 확인할 수 있었다.
성균관대학교 전자전기공학부 교수인 손동희 연구위원은 “초음파 자극에 반응하는 개별 환자의 뇌 신경 활동을 실시간 계측할 수 있게 한 최초 사례”라며 “난치성 신경질환의 정밀 진단 및 개인맞춤형 치료를 가능하게 하는 ‘차세대 전자약 핵심기술’로 자리할 것으로 기대된다”라고 이야기했다.
본 연구결과는 「네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)」(IF=33.7)에 지난 11일(수) 온라인 게재됐다.
'형상변형 대뇌피질접착 신축성 전자패치'는 조직에 접착 가능한 하이드로젤, 금/티타늄 금속 전극 및 배선, 신축성 형상변형 기판으로 구성된다. 이는 설치류와 소 대뇌피질에 도움 없이 쉽고 간편하게 부착되며 매우 견고하게 밀착된다. / 출처 : 기초과학연구원
인체 내 습윤한 환경에서 하이드로젤의 특성에 의해 대뇌피질에 즉각 접착하기 시작한다. 동시에 신축성 형상변형 고분자는 대뇌피질의 굴곡에 맞추어 자발적으로 변형하며 빈틈없이 밀착된다. 대뇌피질에 견고히 부착되고 나면 형상변형 고분자 내부의 응력은 조기에 모두 해소돼, 뇌 조직에 물리적 압박 없이 장기간 안전하게 사용할 수 있다. / 출처 : 기초과학연구원
전자약 시스템은 형상변형 대뇌피질접착 신축성 전자패치와 소형 경두개 집속초음파 변환기로 구성된다. 먼저, 쥐의 머리에 전자패치를 부착하고 소형 경두개 집속초음파 변환기를 이식해, 무손실 대뇌피질전도 피드백 폐-루프 발작 제어가 가능하도록 전자약 시스템을 구성했다. 그리고 뇌전증을 유발한 쥐를 대상으로 16채널 전자패치를 이용해 대뇌피질전도를 실시간으로 모니터링했다. 고품질 뇌파 측정은 집속초음파 전자약의 3단계 강도 변조 중에도 안정적으로 가능했으며, 폐-루프 뇌전증 제어를 성공적으로 달성했다. / 출처 : 기초과학연구원
카이스트 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀이 기존 기술보다 100배 가량 정밀한 공간 해상도를 갖는 ‘빛 측정 센서’를 개발했다. 이는 세계 최초로 ‘메타 표면’을 적용해 성능을 대폭 향상시킨 파면 센서를 이용한 사례로, 복잡한 물체를 단일 측정 방식으로 이미지화 하는 기술이다.
‘메타 표면’이 적용된 기술
메타 표면은 나노미터(㎚, 10억 분의 1미터)에서 마이크로미터(㎛, 100만 분의 1미터) 범위에 해당하는 초정밀 수준의 기하학적 구조로 만들어진 평면을 말한다. 각기 다른 형태와 크기로 이루어진 나노 구조체들이 배치된 평면으로, 전자기파가 가지는 여러 가지 특성을 매우 정밀한 수준에서 제어할 수 있다.
이 기술을 광학기기에 적용할 경우, 의료 현장에서 널리 사용되는 기술들의 성능을 대폭 향상시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 초음파 이미지를 보다 정밀하게 생성할 수 있다거나, 특정 생체 분자나 화학 물질을 보다 빨리 감지해냄으로써 질병 발생 가능성을 더 빨리 찾아낼 수 있다.
무엇보다, 나노미터 수준의 정밀한 구조체가 활용된 기술이므로, 장비나 기기의 소형화도 가능하다. 연구팀은 메타 표면의 우수한 성능을 활용해, 초소형·다기능 메타 파면 센서를 개발하는데 주력하겠다고 밝힌 바 있다. 즉, 이 기술이 상용화될 경우, 병원 외에서도 사용할 수 있는 소형 이동식 진단 장비가 만들어질 수도 있다.
기존 기술 대비 100배 성능
기존 ‘샥-하트만 파면 센서(Shack-Hartmann wavefront sensor)’는 안과 이미징부터 레이저 치료 및 수술, 로봇 수술 등에 널리 사용돼 왔다. 마이크로 렌즈 배열과 카메라를 결합한 구조로, 간단한 구조 및 높은 내구성을 지녀 의료 현장 및 산업 현장에 널리 사용돼 왔다.
하지만 이 기술은 마이크로 렌즈의 크기 문제로 ‘공간 해상도’가 1㎟당 100개 수준으로 제한된다. 이 때문에 보다 정밀한 수준에서 복잡한 구조를 갖는 물체의 이미지를 보여줄 수 없다는 한계가 있었다.
카이스트 연구팀은 나노 공정 기술을 기반으로 제작된 메타 표면을 이용해 공간 해상도 문제를 해결했다. 메타 표면 기술로 제작된 메타 렌즈를 활용, 샥-하트만 파면 센서에 비해 약 100배 가량 높은 공간 해상도를 이미징해낸 것이다. 연구팀은 이를 ‘메타 샥-하트만 파면 센서’라고 이름 붙였다.
1㎟당 10,000개 가까이의 픽셀을 이미징할 수 있게 됨으로써, 기존 기술로 측정할 수 없었던 보다 정밀하고 복잡한 구조체의 위상 이미지를 얻는 데 성공한 것이다.
또한, 연구팀은 메타 샥-하트만 파면 센서를 통한 3차원 위치 추적 테스트 결과, 기존보다 약 10배 큰 시야각을 가지는 것을 확인했다. 거의 모든 가시광선 영역에서 작동하며, 넓은 시야각만큼 보다 넓은 영역에서 특정 개체의 3차원 위치 추적이 가능해진 것이다.
연구를 주도한 연구팀의 고기현 박사는 “메타-샥 하트만 파면 센서는 기존 기술보다 견고하면서 작은 크기를 가지는 장비로서, 초기 질병 진단, 제조 공정의 결함 검출, 자율 주행 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다.
기존보다 훨씬 정밀도 높은 의료 이미지를 얻을 수 있을 것으로 기대된다 / Designed by Freepik (https://www.freepik.com/)
어떤 일이 가능해지나?
메타 샥-하트만 파면 센서가 의료 현장에 적용될 경우, 가장 먼저 기존보다 훨씬 정확한 진단 및 분석이 가능해질 것으로 예상된다. 높은 해상도로 물체의 모양과 구조를 파악할 수 있고, 넓은 시야각으로 정확한 위치를 추적할 수 있기 때문이다.
이는 세포나 조직의 미세 구조를 보다 정밀하게 분석할 수 있는 환경을 제공한다. 즉, 암세포와 같은 위험 인자를 보다 크기가 작은 상태에서도 발견, 조기 진단을 할 수 있을 것이고, 세포나 조직 단위에서 진행되는 질병의 예후를 모니터링하는 데도 뚜렷한 기여를 할 수 있을 것이다.
다음으로, 물체의 구조에 대한 해상도가 대폭 증가하는 만큼, 화학 염색 없이도 세포 등 미세구조를 관찰할 수 있게 될 것이다. 이는 생체 조직에 대한 비침습적 접근을 가능하게 할 것이다. 환자 안전성, 감염 위험성, 진단 정확성 면에서 기존 침습적 방식의 조직 검사를 완벽하게 대체할 수 있는 가능성이 열리는 셈이다.
같은 크기에서 해상도가 100배 가량 높아졌다는 것은, 달리 말하면 100분의 1 크기에서 같은 수준의 해상도를 보장할 수 있다는 의미이기도 하다. 이는 기존의 대형 장비와 유사한 수준의 성능을 가졌으되 훨씬 작은 장비를 만들 수도 있음을 뜻한다.
이는 병원 외에서 긴급한 정밀 진단이 필요할 경우, 보다 신속하게 진단 및 분석이 가능해질 수도 있음을 시사한다. 외부 응급현장에서 빠른 결정을 내려야 하는 경우, 보다 정확한 근거를 제공할 수 있을 것이다.
현장 외 연구 분야에도 기여
이밖에도 다양한 분야에서 응용이 가능할 것으로 보인다. 세포 생물학, 병리학, 조직 공학 등 현장 외의 의료 연구 분야에도 폭넓은 기여를 할 것으로 기대된다. 예를 들면 줄기세포의 성장 및 분화를 관찰하는데 응용하거나, 암세포의 성장 및 침윤 등의 특성을 보다 세밀한 수준에 분석해낼 수 있게 될 것으로 보인다. 기존까지 밝혀낼 수 없었던 질병의 기전을 알아낼 기회가 열릴 수도 있다.
보다 정밀한 진단과 데이터 수집은 환자 개개인에 대한 정확한 의료 데이터를 축적할 수 있게 할 것이다. 이를 통해 개인 맞춤형 치료는 물론, 의료 서비스의 질을 향상시키는 길로 한 걸음 더 나아가게 될 것이다.
