뇌파 모사 초음파 기술 개발, 뇌질환 치료의 새로운 지평 열다
뇌파 모사 초음파 기술로 뇌질환 치료의 새로운 가능성이 열렸습니다! 외과적 수술 없이 뇌 심부까지 효과적으로 자극하며, 뇌질환 치료 및 인지 기능 향상에 효과적입니다.
기존 뇌 자극 기술의 한계와 초음파 신경 조절 기술의 등장
우리 뇌는 신경 가소성이라는 특성을 가지고 있어 다양한 자극을 통해 기능과 형태를 변화시킬 수 있습니다. 이러한 특성을 활용하여 전자기, 빛, 소리 등의 자극으로 뇌질환을 치료하려는 노력들이 지속되어 왔습니다. 그러나 기존 기술들은 뇌 조직 손상, 감염, 낮은 뇌 투과율, 낮은 공간 해상도 등의 문제점을 가지고 있었습니다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 개발된 초음파 신경 조절 기술은 뇌 심부까지 정밀하게 자극할 수 있으며, 부작용이 없는 안전한 기술입니다. 특히 이번 연구에서는 실제 뇌파 형태를 모사한 새로운 초음파 방식을 적용하여 뇌 기능을 양방향으로 조절하는 데 성공했습니다.
▲ 초음파 실험의 기본적인 패러다임과 동기화된 뇌파 그래프
이번 실험에 사용된 초음파 프로토콜이다. 저자극 저진동수인 5Hz와 30Hz 초음파를 결합하여 2초 자극 후 8초 휴식하는 간헐적 자극(interval TBUS)과 40초 동안 연속적으로 자극을 주는 연속적 자극(continuous TBUS) 패턴을 고안했다. 아래 그림은 자극을 주는 동안의 서로 다른 두 종류의 뇌파인 세타파와 감마파 간의 위상-진폭 변화(Phase-amplitude coupling)를 통한 뇌파 변화를 나타낸 그래프이다.
뇌파 모사 초음파 자극의 작동 원리와 장기적 효과
연구팀은 저강도 500 kHz 초음파를 이용하여 인지 기능에 중요한 세타파와 감마파를 결합한 형태의 파장을 생성했습니다. 뇌파 분석을 통해 초음파 자극이 실제 뇌에서 동일한 파장의 뇌파를 활성화한다는 것을 확인했습니다. 또한, 연속형 자극 패턴과 간헐적 자극 패턴을 개발하여 뇌 기능을 강화하거나 억제할 수 있음을 증명했습니다.
실험 결과, 간헐적 패턴의 초음파 자극은 뇌 특정 영역에 대한 장기적인 흥분 효과를 유도했으며, 연속형 패턴은 장기적인 억제 효과를 유도했습니다. 이러한 효과는 자극이 끝난 후에도 장기간 지속되었습니다.
연구팀은 초음파 자극에 의한 양방향 신경 조절 과정에서 별세포의 TRPA1과 BEST1 채널이 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 초음파 신경 조절 기술의 분자적 기전을 이해하는 데 중요한 발견입니다.
- TRPA1 (transient receptor potential ankyrin1) : 세포막의 기계적 자극에 의해 활성화되는 채널(통로)이다. 이 채널을 매개로 하여 세포 내로 칼슘이 유입된다.
- BEST1 (bestrophin1) : 칼슘에 반응하는 음이온 채널이다. 별세포에서 신경전달물질을 분비할 때 이용된다.
▲ 초음파 자극에 의한 신경조절 기전
초음파 자극을 가한 뒤 나타나는 신경조절 기전의 모식도이다. 저강도 뇌파 유사 패턴의 초음파 자극은 별세포에 있는 TRPA1을 연쇄적으로 자극하여 BEST1 의존적 신경전달 물질 분비를 통하여 인접한 신경세포들을 자극함으로써 신경세포에서의 신경 가소성을 유발한다. 이를 통해 자극 패턴 의존적 기억 및 학습과 관련된 인지 기능의 변화 및 행동적 양상의 변화가 나타난다.
뇌파 모사 초음파의 응용 분야
뇌질환 치료
뇌파 모사 초음파 기술은 다음과 같은 다양한 뇌질환 치료에 활용될 수 있습니다.
- 뇌전증: 비정상적인 뇌파 활동으로 인해 발생하는 발작을 억제하는 데 효과적입니다.
- 알츠하이머병: 인지 기능 저하를 완화하고 질병 진행을 늦추는 데 도움이 될 수 있습니다.
- 파킨슨병: 운동 기능 장애를 개선하고 증상을 완화하는 데 효과적입니다.
- 우울증: 뇌 기능 조절을 통해 우울증 증상을 완화하고 기분을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.
- 뇌졸중: 뇌 손상 영역의 신경 재생을 촉진하고 기능 회복을 돕는 데 효과적입니다.
인지 기능 향상
뇌파 모사 초음파 기술은 인지 기능 향상에도 활용될 수 있습니다.
- 학습 능력 향상: 기억력, 집중력, 사고력 등을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
- 기억력 향상: 기억 형성 및 보존 과정을 강화하여 기억력을 향상시키는 데 효과적입니다.
- 집중력 향상: 주의력을 향상시키고 산만함을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
- 사고력 향상: 정보 처리 능력과 문제 해결 능력을 향상시키는 데 효과적입니다.
기타 응용 분야
뇌파 모사 초음파 기술은 뇌과학 연구, 통증 완화, 재활 치료 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.
- 뇌과학 연구: 뇌 기능 연구, 뇌-컴퓨터 인터페이스 개발 등에 활용될 수 있습니다.
- 통증 완화: 만성 통증, 암 통증 등을 완화하는 데 효과적입니다.
- 재활 치료: 뇌졸중, 외상성 뇌 손상 등으로 인한 기능 장애를 회복하는 데 도움이 될 수 있습니다.
맺음말
뇌파 모사 초음파 기술은 안전하고 효과적인 뇌 자극 기술로서 뇌질환 치료 및 인지 기능 향상에 큰 가능성을 보여주고 있습니다. 향후 임상 연구를 통해 이 기술의 안전성과 효과를 검증한다면 뇌 건강 증진에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
출처: 기초과학연구원
