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학술 - 뇌와 촉감
초음파 뇌 자극을 통한 인체 촉감 생성 기술의 소개와 그 응용 방안
[366호] 2015년 11월 04일 (수) 정용안 / 가톨릭대학교 방사선과학교실 교수 .
   
인체 감각 생성 기전 및 가능성
신경조직은 특정 역할을 하는 신경 세포군과 이의 생체조직들로 이루어져 있고, 이들이 활성화 또는 비활성화되면서 신경다발(말초신경계)이나 백피질(중추신경계)을 통해 신호를 전달하여 인간의 인지와 행동양식으로 표현된다. 이러한 기능을 조절하기 위해서는 우선 약물을 통하여 신경전달물질이 뇌세포에서 활성화되는 정도를 조정하는 방식이 있다. 하지만 약물로는 뇌 특정 부위만을 조절하는 것이 불가능하다. 이에 반해 침습적인 방법을 통한 뇌기능 조절방식인 탐침을 이용한 전기적 자극이 가능하다. 이러한 탐침을 이용한 전기적 자극의 경우, 말초신경자극기나 뇌수술에 사용되는 뇌파도(Electrocorticogram: ECoG)나 뇌 심부 자극술(Deep brain stimulation: DBS)로 뇌의 특정 위치에 탐침을 이식 또는 삽입하여 전기자극을 주어 뇌의 기능을 일시적으로나 영구적으로 변환시키는 것이 가능하다. 유사한 방법으로 외부에서 비침습식인 방식으로 뇌기능을 조절하는 기술인 경두개 자기자극술(Transcranial magnetic stimulation: TMS)을 들 수 있다. 이는 두개골 외부에서 강한 자기장을 발생시켜 뇌피질에 유도전류를 흐르게 하여 뇌기능을 조정하는 방식이다. 이러한 경두개 자기자극술은 침습적인 방법과 비교하여 노출되는 뇌피질의 지역이 광범위(2㎝~3㎝ 이상)할 뿐 아니라, 두개골 및 1㎝~2㎝ 깊이의 뇌피질 표면에만 자극이 가능하고 더 깊은 뇌 속에 위치하는 지역에서는 자기장의 크기가 급격히 감소하여 정밀한 조절이 힘든 문제점이 있었다.

저강도 집중초음파 뇌 자극기술
최근 이러한 문제점을 해소하기 위해 초음파를 이용한 뇌 자극 장치가 소개되었다. 사용될 초음파는 압력충격파 형으로, 기존 진단용 초음파기에 사용되는 고주파가 아닌, 1 MHz 미만의 주파수로 공여되어 두개골을 투과할 수 있으며, 경두개 자기자극술(TMS)과는 달리 뇌 심부의 깊숙한 영역까지 초점을 위치시킬 수 있다. 더욱이 초음파에 영향을 받는 크기(초점 영역)가 최소 2~3mm의 구형(sphere) 또는 타원 모양의 원추형 구(쌀알모양)이므로 특정 영역의 세밀한 기능조절이 가능하다. 집중초음파를 발생시키는 장치는 1950~1960년대에 미국이나 소련연방의 과학자들에 의해 처음으로 발명되었는데, 압전(piezoelectric)물질을 이용하여 전기적 파형을 기계적 파형으로 바꿀 수 있고, 압전물질을 가스가 제거된 매개체(예: degassed water) 속에서 작동시키면 20 KHz 이상의 초음파 압력충격파 형으로 변환시킬 수 있다. 이 충격파는 반구형상에 배열된 압전물질에서 발생하면서, 반구형상 원주의 원심(Radius of Curvature: ROC)에 해당하는 위치에 집중되게 된다. 초음파는 3W/㎠ 미만의 유효 강도를 적용하고, 열이나 공동(Cavitation)현상이 발생하지 않는 범위 내에서 사용 가능하며, 기계적 안전지수(Mechanical Index) 1.9를 넘지 않는 범위로, 안정성 기준을 충족하여야 한다.

뇌기능 조절을 통한 인체 촉감 생성 및 응용
인간이 팔다리나 감각기관을 거치지 않고 뇌 신경조직 차원에서 실감할 수 있는 방법을 비침습적 뇌기능 조절(neuromodulation) 기술이라 하고, 이는 가상현실 증강 및 실감교류 솔루션으로 사용될 수 있다. 뇌기능 조절은 위에서 언급한 다양한 방법을 통할 수 있으나, 초음파 기술이 안정성 및 정확성에서 가장 우수하다. 2014년 초 Arizona State University의 Tyler 교수팀에서 인체에서 저강도 집중초음파를 통해 뇌기능조절이 가능하다는 세계 첫 논문을 발표하였으나 촉감생성 보고는 없었다. 본 연구팀은 비침습형 저강도 집중초음파를 통한 뇌자극으로 인체에서 촉감이 생성되는 것을 2015년 초 발표하였다. 이것은 외부의 자극 없이 저강도 집중초음파를 뇌에 공여하여 EEG 및 다양한 촉각을 유발한 세계 첫 연구이다. 유발된 촉각의 종류는 저림, 운동감, 무게감, 무딘감, 전기감, 가려움, 냉감 등이었다. 최근에는 몇몇 연구팀들이 이러한 인체 감각 연구의 미세제어 및 조절 가능성에 대한 연구들이 활발해지고 있다.
집중초음파 뇌 자극 기술은 컴퓨터를 통해서 조절 및 제어가 가능하므로, 비침습적인 computer-to-brain interface(CBI) 방식으로 활용될 수 있으며, 궁극적으로 인체의 뇌와 뇌를 연결하는 Brain-Brain interface(BBI)를 구현하는데 기여할 것으로 전망된다. 특히, 비침습적으로 직접 뇌 신경 또는 말초신경을 자극해 감각 생성요소 기술을 개발하고, 이를 이용해 다양한 감각 생성장치를 개발하는 것들은, 신경을 직접 자극해 원하는 감각을 생성해 내기 때문에, 중간 단계의 많은 기구가 필요 없어 시스템을 간소화하는 측면에서 획기적인 발전을 이룰 수 있다. 이는 가상현실 증강 및 실감교류 인체 감응 솔루션으로의 획기적인 도구로써 활용될 가능성이 있다. 또한, 컴퓨터가 매개체가 되므로, 컴퓨터 네트워크와의 연계를 통하여 공간의 제약 없이 원격으로, 여러 명의 사람이 실감 및 뇌신경학적 정보를 공유하는 것도 가능할 것으로 기대된다. 실감교류의 플랫폼으로 사용 이외에도, 더 나아가서는 여러 신경과적(파킨슨병, 뇌졸중, 틱 장애 등의 Movement disorder) 그리고 정신과적(우울증, 편집증, 약물중독 등) 질환 치료를 위한 새로운 기법을 제안할 수 있을 것으로 기대된다. 예를 들어 비침습적인 방법으로 반복적으로 가역적이고 정확한 뇌기능 조절을 통해 뇌 가소성 (brain plasticity)을 극대화해 뇌 기능 회복에 이용할 수 있다. 또한, 집중초음파 뇌 자극 기술은 뇌 국부조직의 Blood Brain Barrier(BBB)을 일시적으로 개방하여 약물이나 치료용 세포를 뇌의 특정 영역으로 전달하는 의료기술로써 높은 가능성을 가지고 있으며, 뇌암 치료 등을 포함하여 광범위한 뇌질환 치료에 획기적인 도구가 될 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 뇌 기능을 일시적으로 조절하는 기능은, 미래에는 공포심이나 쾌락과 같은 인간의 감정을 제어하는 데에도 활용되고, 학습능력의 향상 등에도 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

결론
집중초음파를 이용한 신경조절 연구는 기술적 측면에서 아직 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지지 않은 분야이며, 앞으로 뇌과학의 급속한 발전과 함께 더 많은 활용성을 갖게 될 것으로 기대되는 분야이다. 또한, 다른 산업분야와의 융합을 통해서, 예측하기 힘든 많은 의학적/산업적 파급효과가 기대된다.
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전체기사의견(1)  
 
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Johan
2015-12-24 07:16:19
That's not just logi
That's not just logic. That's really selenbis.
전체기사의견(1)
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