	GIST(광주과학기술원) 보도자료 http://www.gist.ac.kr
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자료 문의	전기전자컴퓨터공학부 전성찬	062-715-2216

컴퓨팅 모델로 ‘준침습성 뇌 전기 자극’ 효과 입증

- 두개골에 작은 티타늄 채널 심어 자극, 뉴런 활성화 11배…시뮬레이션으로 증명

- GIST 전성찬 교수팀, 네이처 자매지 Scientific Reports에 논문 게재

□ GIST 전성찬 교수팀(전기전자컴퓨터공학부)이 새로운 뇌 질환 치료법으로 주목받고 있는 ‘준(準)침습성(semi-invasive) 전기 자극법’의 효과를 입증하는 데 성공했다.

∘ 연구팀은 자체 개발한 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 이용해 ‘준침습성 전기 자극법’이 두피나 머리 가까이에서 전기 자극을 전달하는 ‘비침습적 뇌 자극’보다 10배 이상의 자극 효율을 가짐을 입증했다.

∘ 이번 성과는 안전하고 효율적인 뇌 전기 자극으로 뇌 질환을 치료할 수 있는 ‘준침습적 전기 자극’의 임상 적용에 기여할 것으로 기대된다.

[참고] 준침습성 전기 자극법 모식도. (가)비침습적으로 두피에 부착된 전극. (나)높은 전도도를 가진 티타늄 채널(지름 1㎜의 경우)이 두개골에 심어진 그림

□ ‘뇌 전기 자극’이란 외부에서 가해지는 전기 자극을 통해 뉴런 활성화를 조절하는 것으로, 각종 뇌 질환 혹은 뇌 기능 향상에 사용되고 있다.

∘ 현재 의료 현장에서는 수술을 하지 않는 비침습적* 방법이나 수술을 위해 개두(開頭)를 하는 침습적* 방법으로 외부 전기 자극을 뇌로 전달하고 있다. 하지만 침습적 방법보다 안전하고 비침습적 방법보다는 자극 효율이 높은 ‘준침습성 전기 자극법’에 대해선 이론적으로 제안되었을 뿐 그 효과가 정확하게 입증되지 않았다.

* 비침습적 자극 방법: 수술 없이 두피에 전극을 부착하거나 머리 가까이에 전자기 코일을 위치시켜 전기 자극을 전달

* 침습적 자극 방법: 개두 후 전극을 뇌 깊숙이 위치시켜 전기 자극을 전달

□ 먼저 자기공명영상(MRI)을 이용해 뇌의 구조적 특징을 복원한 연구팀은 3차원 뇌 컴퓨팅을 이용해 두피에 전극을 부착하고 티타늄 채널을 두개골에 심은 뇌 모델을 구현했다.

∘ 이어 운동 신경 전달의 중추 역할을 하는 뉴런 모델을 뇌 모델에 가상적으로 결합한 뒤, 다양한 지름(1~9㎜)의 티타늄 채널(길이 5㎜)을 통해 가해지는 뇌 전기 자극의 영향력, 채널-전극 간 거리 변화에 따른 뉴런 활성화 양상을 분석했다.

∘ 그 결과 준침습적 방법은 비침습적 방법론에 비해 약 5배 높은 자극 집중도와 함께 최대 11배 높은 뉴런의 활성화 반응을 유도할 수 있었다. 티타늄 채널이 전극과 뇌 사이의 인터페이스 역할을 하면서 전극에서 가해지는 전류가 손실 없이 뇌에 전달될 수 있었다. (그림1 참조)

* (보충 설명) 티타늄 채널 없이 두피에 전극만 부착하는 비침습적 방법의 경우, 전극에서 가해지는 전류가 두피, 두개골, 뇌척수액 등으로 퍼져 극소량의 전류만이 뇌에 전달됨

□ 전성찬 교수는 “이번 연구는 준침습적 전기 자극법의 효용성을 컴퓨터를 이용한 뇌 자극 시뮬레이션을 이용해 입증한 것”이라며 “향후 준침습적 방법론이 실제 임상에 적용돼 더 나은 뇌 자극 치료 전략을 세우는 데 도움을 줄 것으로 기대한다”고 말했다.

□ 이번 연구는 GIST 연구원(GRI)*에서 지원하고 있는 GIST 창조적 도전과제와 함께 한국연구재단(NRF)의 개인연구자지원사업, GIST 과학기술응용연구단(GTI)의 실용화연구개발사업, KISTI(한국과학기술정보연구원) 초고성능컴퓨터인프라 서비스 및 활용 활성화 사업의 지원으로 수행됐으며, 논문은 네이처 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 1월 13일자에 게재되었다.     <끝>

* GIST 연구원(GRI) : GIST 내 연구소(센터) 8곳을 통합 관리하는 조직

※ 논문제목 : The Effect of a Transcranial Channel as a Skull/Brain Interface in High-Definition Transcranial Direct Current Stimulation-A Computational Study

교신저자 : GIST 전기전자컴퓨터공학부 전성찬 교수

제1저자 : GIST 전기전자컴퓨터공학부 서현(박사과정생)

제2저자 : GIST 의생명공학과 김형일 교수

연 구 결 과  개 요

1. 연구 배경

o  여러 가지 뇌질환에 대해서 전기적 뇌 자극법은 약물 혹은 수술과 병행해 환자의 재활을 돕는 효과적인 치료 수단으로 떠오르고 있으며, 다양한 임상실험을 통해 그 효과가 증명되고 있다.

o  최근 자극의 집중도를 높이기 위해 기존 넓은 패드 형태의 전극을 통해 자극을 전달하는 비침습적 방법론 대신 하나의 전극에 전기 자극을 주입하고 레퍼런스 전극이 이를 둘러싸는 형태의 전극 조합 (High-definition transcranial direct current stimulation; HD-tDCS)이 주목을 받고 있다.

o 기존 비침습적 방법론 보다 높은 세기와 집중도의 전기 자극을 최소한의 침습으로 전달하기 위해 비침습적 전기 자극법(HD-tDCS)과 높은 전도도를 가진 채널을 결합하는 준침습적 자극 방법이 이론적으로 제안되었으나 아직 그 효능에 대한 연구가 진행되지 않은 상황이다.

o 본 연구팀은 공학적 해결법인 ‘컴퓨터기반 수학적 뇌 모델링’ 기술을 활용해 준침습적 방법론의 효과를 비교 분석하고자 하였다. 이 기술을 통해 두뇌의 구조적·물성적 특성을 컴퓨터로 구현하여 뇌 모델을 만들고 수치 최적화를 통해 뇌 자극의 효과를 시뮬레이션 통해 미리 예측하고, 적절한 치료전략을 만들어 치료효과를 높이는 데 기여했다.

o 더 나아가 기존 컴퓨터 기반 수학적 뇌 모델링 기술은 자극 유도 전기장에 대한 간접적 분석에 초점을 둔 반면, 본 연구팀은 정확한 자극 효과 분석을 위해 대뇌 피질의 3층과 5층에 분포한 다양한 형태의 피라미드 뉴런을 결합하여 전기 자극이 미치는 영향을 뉴런 단위에서 분석하였다.

2. 연구내용

o 본 연구에서는 뇌의 자기공명영상 (magnetic resonance image: MRI)을 이용한 해부학적 정교 뇌 모델을 구축하고 이에 다양한 크기의 티타늄 재질의 채널을 결합하고 그 효과를 비교 분석하였다.

o 자극에 의한 활성화 반응을 외부 자극 유도 전기장 분포도와 피라미드 뉴런 반응을 통해 유추하였다. 이 때 운동 영역 신호 전달의 중추 역할을 하는 피라미드 뉴런 모델을 대뇌 피질 공간에 맞추어 제작 후 뇌 모델에 균일하게 분포되도록 배치하고 전기 자극 시 발생하는 유도 전위장을 뉴런 모델에 세포외 자극 방식으로 전달하였다.

o 채널의 지름이 7mm일 때 손실 없이 원하는 영역에 집중도 높은 자극을 전달함을 확인하였다. 또한 채널과 전극과의 거리가 멀어짐에도 비침습적 자극 대비 높은 효용성을 보였다. 이에, 본 연구에서는 준침습적 자극 방법론의 효용성을 예측함으로서 추후 임상 적용에 유용할 것임을 밝혔다.

3. 기대효과

o 본 연구에서는 해부학적 정교 뇌 모델과 피라미드 형태의 뉴런 모델 결합 기술을 기반으로 준침습적 자극 방법에 대한 뉴런 단위 활성화 영역을 분석하였고, 해당 기술을 통해 비침습적 방법론 대비 준침습적 방법의 높은 효용성을 예측하였다. 제안하는 연구를 기반으로 최적의 자극효과를 탐색하고 이에 따른 뉴런의 활성화 반응을 관측함으로서, 뇌질환 치료를 위한 더욱 효율적인 뇌 자극 치료 전략을 세우는 데 일조할 것으로 사료된다.

그 림 설 명

[그림 1] (가) 비침습적 자극의 경우 전류가 두피, 두개골, 뇌척수액 등으로 인해 퍼져나감으로서 극소한 전류만이 뇌에 도달한다. 반면 (나) 준침습성 전기 자극의 경우 전류가 티타늄 채널을 통해 뇌에 전달됨으로서 원하는 뇌 영역에 높은 전기 자극을 가할 수 있다.

[그림 2] (가)운동 피질(motor cortex)에 해당하는 중심앞이랑(precentral gyrus)를 타깃 영역(ROI)으로 지정하고 (나)비침습적/준침습적 자극에 따른 유도 전계(electric field) 분포를 관측했다. 그 결과, 준침습적 자극의 경우 전기 자극의 영향(빨강색)이 비침습적 자극에 비해 상대적으로 집중된 영역에 분포하는 것을 확인하였다. 유도 전계의 최대값 또한 비침습적 방법(0.15 V/m)보다 준침습적 방법(1.8 V/m)이 높게 나타났다.

[그림 3] 비침습적/준침습적 자극에 따른 피라미드 뉴런의 활성화 반응(뇌 운동 영역)을 비교 분석하였다. 이때 뉴런의 수상돌기(dendrite; d1, d2), 핵(soma), 축색돌기(axon; b1, b2, terminal)에서의 세포막에서 외부 전압에 의해 변화하는 전위의 차(막전위; membrane potential)를 측정하였다. 준침습적 자극(나)의 경우 비침습적 자극(가)보다 뉴런의 모든 구역에서 높은 막전위 값을 보이고, 특히 핵(soma)에서 약 10배 높은 활성화 반응을 관측하였다. 또한 준침습적 자극에 의한 활성화 반응(빨강색: 탈분극*, 파란색: 과분극*) 또한 타깃 영역 부근에 집중적으로 관측되었다.

* 탈분극(depolarization): 막(membrane)의 전압이 안정막 전압(resting potential)에 비해 상대적으로 양성이 되는 현상

* 과분극(hyperpolarization): 막의 전압이 안정막 전압에 비해 상대적으로 음성이 되는 현상

전성찬 교수[교신저자] 이력사항

인적사항

○ 소  속 : GIST 전기전자컴퓨터공학부

○ 전  화 : 062-715-2216

○ 이메일 : scjun@gist.ac.kr

○ 홈페이지 : https://biocomput.gist.ac.kr

2. 학력

○ 1993~1998 : 한국과학기술원 박사, 응용수학 (역문제)

○ 1996~1998 : 한국과학기술원 석사, 응용수학 (수치해석학)

○ 1987~1991 : 한국과학기술원 학사, 수학 (전공), 컴퓨터과학 (부전공)

3. 경력사항

○ 2013~현재 : GIST 전기전자컴퓨터공학부 부교수

○ 2007~2013 : GIST 정보통신공학부 조교수

○ 2004~2007 : 미국, Los Alamos National Lab., Staff Member

○ 2002~2004 : 미국, Los Alamos National Lab., Post-doc Associate

○ 2000~2002 : 미국, University of New Mexico, Post-doc Fellow

○ 1999~2000 : 한국표준과학연구원, 연수연구원

4. 전문분야정보

○ 뇌생체신호처리/분석, 뇌-컴퓨터 인터페이스, 뇌 자극, 뇌계산 모델링

5. 연구지원정보

○ GIST연구원 지원 GIST 창조적 도전과제, NRF의 개인연구자지원사업, GTI의 실용화연구개발사업, KISTI의 PLSI Supercomputing Resources

서현 박사과정 [제1저자] 이력사항

1. 인적사항

○ 소  속 : 광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부

○ 전  화 : 062-715-2266

○ 이메일 : hseo@gist.ac.kr

2. 학력

○ 2013 - 현재 : 광주과학기술원 박사, 전기전자컴퓨터공학부

○ 2010 - 2013 : 광주과학기술원 석사, 정보통신공학부

○ 2006 - 2010 : 전북대학교 학사, 수학

김형일 교수[제2저자] 이력사항

인적사항

○ 소  속 : 광주과학기술원 의생명공학과

○ 전  화 : 062-715-3234

○ 이메일 : hyoungihl@gist.ac.kr

○ 홈페이지 : https://neuro.gist.ac.kr

2. 학력

○ 1982~1987 : 전북대학교 박사, 면역학

○ 1980~1982 : 전북대학교 석사, 면역학

○ 1973~1979 : 전북대학교 의과대학 의학사, 의학

3. 경력사항

○ 2010~현재 : GIST 의생명공학과 교수

○ 2004~2010 : 예수병원 신경외과 과장

○ 2002~2002 : Oregon Health Science Univ. 신경외과 방문 교수

○ 1994~1998 : 전북대학과 의과대학 신경외과 부교수

○ 1991~1994 : 전북대학과 의과대학 신경외과 조교수

○ 1990~1991 : Montreal neurological Inst., McGill Univ. Research Fellow

○ 1988~1990 : 전북대학교 의과대학 신경외과 전임강사

4. 전문분야정보

○ 만성 뇌질환의 회복을 위한 신경조절 연구, 신경조절기의 최적화 연구, 척추통증의 기전 및 치료 연구