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인지심리기사/신경과학

초음파를 이용한 뇌 자극


출처: ScienceDaily (June 10, 2010) 

번역: 인지심리학 매니아


새로운 비침습적 기술


뇌 의 이상을 진단하고 치료하는 새로운 기술이 개발되었다. Arizona State University의 신경과학자 William "Jamie" Tyler는 반복되는 초음파로 뇌를 자극하는 비침습적(nooninvasive) 방법을 개발했다.


6월 9일 Neuron에 게재된 이 논문은 초음파가 쥐의 motor cortex에서 활동 전위(action potentials)를 자극할 뿐만 아니라 과거 침습적 방법(electrode를 뇌의 심는 방법 등)으로만 가능하던 동작 반응을 유도해 냈다고 주장한다.


종전에는 transcranial magnetic이나 deep brain stimulation, electroconvulsive shock therapy, transcranial direct current stimulation 등의 방법을 이용하여 간질이나 파킨슨, 만성 통증, coma, 근긴장이상증, 정신 이상, 우울증 등을 치료해 왔다. 그러나 이 방법들은 약점을 지니고 있다고 Tyler는 말했다. 종전 방법들은 수술이나 유전적 조작이 필요했으며, 공간 해상도도 낮은 편이었다. 예를 들어 광유전학(Optogenetics)은 신경 회로를 조작하기 위해 동물의 뇌에 유전자(다른 생물체에서 가져온)를 결합하는 방법을 사용했다.


"과학자들은 지난 80년 동안 초음파가 신경 활동에 영향을 미친다는 사실을 알고 있었다"라고 Tufail은 말했다. "이 분야의 선구자들은 침습적 방법을 사용하기 전 신경 조직에 초음파를 노출시켰다. 이 연구들은 위와 같은 처치가 전기적 자극에 반응하는 정도에 영향을 미친다는 사실을 밝혀왔다."


"하지만 우리 연구는 오직 초음파만을 사용하여 수술 없이도 활동 전위를 유발해 냈다"라고 Tufail은 설명했다.


"우리는 기존연구를 통해 초음파가 뇌조직 샘플에서 활동 전위를 유발한다는 사실을 알고 있었다"라고 Tyler는 말했다. "초음파를 피부를 통해 살아있는 동물의 뇌까지 흘려보내는 일은 꽤 어려운 일이었다"


이런 어려움에도 불구하고 연구진은 초음파가 밀리미터 단위의 공간 해상도로 뇌를 자극할 수 있음을 보여주었다. "1세기 로마의 내과의사였던 Scribonius largus는 electric torpedo fish를 두통 환자의 머리 위에 올려놓는 방법으로 통증을 치료했다. 우리 연구는 음파를 뇌 기능 조작이나 연구에 사용할 수 있는 새로운 길을 개척했으며, 뇌의 이상을 진단하는 데도 사용될 것이다"라고 Tyler는 말했다.




초음파와 인지적 기능


그와 더불어 이 연구는 뇌의 피질하부를 연구를 통해 초음파가 인지적 기능을 수정할 수도 있다는 사실을 밝혀냈다.


"우리는 초음파가 해마에서 일어나는 뇌파인 sharp-wave ripples(파형의 일종- 역자 주)에 영향을 미친다는 사실을 발견하고는 깜짝 놀랐다. 이 파형은 기억을 구성하는 동안 관찰할 수 있는 파형이다."


연 구자들은 또 초음파가 해마에서 Brain-derived neurotophic factor(BDNF. 뇌와 말초에서 발견되는 신경 친화성 인자(neurotrophic factor). 중추신경계와 말초 신경계의 일부 신경세포에 작용하는 단백질이다. BDNF는 기존의 신경 세포의 생존을 지지해주고 새로운 시경세포 및 시냅스의 분화 및 성장을 촉진시킨다. - 출처: http://blog.daum.net/hopeforgod/16148794)을 생성해낸다는 사실을 발견했다. --BDNF는 뇌의 가소성을 담당하는 역할을 맡기도 한다--   Tyler는 초음파가 활동 전위를 유발하며, 의미있는 뇌파를 유도하고, BDNF 생성에 관여한다는 사실에 비추어 인지적 기능 역시 향상될 것이라고 생각했다. 어쩌면 정신 지체나 알츠하이머 같은 질환의 치료수단으로도 활용할 수 있을 것이다.


이들의 데이터에 의하면 낮은 강도의 초음파에 반복적으로 노출된 쥐(rodent)는 건강에 아무런 이상이 없었다고 한다. "우리는 정상인 뇌를 초음파로 자극한 결과 낮은 강도의 초음파는 반복적 노출에도 불구하고 안전하다는 사실을 알아냈다"라고 Anna Yoshihiro는 말했다. Yoshihiro는 파킨슨병을 앓고 있는 원숭이를 대상으로 실험을 하고 있으며, 간질 발작을 일으키는 쥐를 초음파를 통해 치료하기도 했다.


Monica Li Tauchmann은 실험이 성공했던 때를 회상하며 이렇게 말했다. "저는 실험을 도와 주고 있었어요. 우리는 살아있는 쥐의 뇌를 초음파로 자극했습니다. 처음에는 아무 일도 일어나지 않았어요. Tyler가 초음파의 waveform parameter에 변호를 주자 쥐가 움직이기 시작했습니다. 우리는 며칠동안 실험을 계속했고 쥐는 멀쩡했어요. 아무 일도 없었다는 듯이 마취에서 깨어났습니다. 우리 모두 신기하다고 생각했습니다."


Tyler는 이 초음파를 통한 죄 조작이 여러 분야에 활용될 수 있다고 생각했다. 의학적 용도 이외에 게임이나, 엔터테인먼트, 의사 소통 분야에서도 이 장비들이 사용될 수 있을지 모른다.


"우주 여행, 휴대용 컴퓨터, 인터넷, GP -- 얼마 전만 해도 이런 일들은 과학 소설에나 나올법한 이야기였다. 이제 이런 일들이 현실화되고 있다"라고 Tyler는 말했다. "아마 다음 세대는 개인화된 컴퓨터 클라우드를 통해 정보를 다운로드 받거나 동시에 초음파를 통해 내용들을 뇌 속에 부호화할지도 모른다."


"To be honest," he adds, "we simply don't know yet how far we can push the envelope. That is why many refer to the brain as the last frontier -- we still have a lot to learn."




Journal Reference
:
  1. Yusuf Tufail, Alexei Matyushov, Nathan Baldwin, Monica L. Tauchmann, Joseph Georges, Anna Yoshihiro, Stephen I. Helms Tillery, William J. Tyler. Transcranial Pulsed Ultrasound Stimulates Intact Brain Circuits. Neuron, 2010; 66 (5): 681-694 DOI: 10.1016/j.neuron.2010.05.008