뇌졸중 동물의 소뇌를 초음파로 자극하여 편마비에 의한 운동장애 치료
뇌졸중에 따른 대뇌 손상을 보상할 수 있는 고해상도 뇌 자극 기술 개발
 

미국 신경재활학회 발표에 따르면 매년 전 세계 1500만 명이 뇌졸중을 겪고 있으며, 이로 인해 1/3은 사망에 이르고, 나머지 1/3은 영구적 장애를 가지고 평생을 살아가게 된다. 이처럼 뇌졸중으로 인한 후유증은 지속적으로 영향을 미치기 때문에 발생 후 조기 재활치료가 평생의 삶의 질을 좌우한다고 볼 수 있다.
 

뇌졸중의 경우 뇌를 지키는 보호막인 혈액-뇌 장벽(BBB, Blood-Brain Barrier)에 의해 약물이 뇌 조직으로 통과하지 못하는 문제점이 있어 이를 해결하기 위해 뇌의 다양한 자극 위치에 따른 재활 효과에 대한 연구가 국내외에서 활발하게 이루어지고 있다. 최근 국내 연구진이 저강도 집속초음파 기반의 고해상도 비침습 뇌자극 방법을 이용하여 뇌졸중 후 편마비에 의한 운동장애 재활치료를 가속시킬 수 있는 새로운 기술을 개발하여 관심을 모으고 있다.
 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 바이오닉스연구단 김형민 박사팀은 저강도 집속초음파 뇌자극 기술을 이용하여 소뇌의 특정 영역의 신경활성을 조절하고, 이를 통해 뇌졸중에 의한 뇌신경 손상을 보상하고 편마비에 의한 운동장애를 치료할 수 있다는 것을 입증하였다.
 

KIST 김형민 박사팀은 급성 뇌졸중의 경우에 병변 부위와 공간적으로는 떨어져 있으나 기능적으로 연결되어 있는 소뇌에서 이차적인 혈류 저하 및 대사저하가 관찰된다는 이전 연구들을 바탕으로 소뇌를 저강도 집속초음파를 이용해 비침습적으로 자극하여 위축된 기능적 회복을 돕고, 나아가 경색 부위로 연결되는 신경경로를 활성화 시킬 수 있도록 하였다.

또한 연구진은 실제 실험을 통해 뇌졸중 쥐 모델에 저강도 집속초음파로 소뇌를 자극하여 양쪽 앞다리에서 자극에 의한 움직임을 유발시키고, 운동전위를 검출하는 데 성공하였다. 또한 4주 동안 초음파 자극을 받은 실험군이 대조군에 비해 향상된 운동 능력을 유지하는 것을 관찰하였고, 이를 통해 뇌졸중에 의한 대뇌 손상 부위가 아닌 기능적으로 연결된 소뇌를 자극하여 뇌부종이 감소함을 확인하였다.
 

이 연구는 기존의 침습적인 방법을 통한 심부 자극의 한계를 극복하고, 이를 활용한 편마비에 의한 운동장애 치료 가능성을 열었다는 의의를 지닌다. 또한 기존의 비침습 뇌자극 방법이 자극 범위가 넓고 자극의 깊이가 뇌 피질에 국한되는 것과 달리, 이번 기술은 뇌심부 영역의 수 mm 이내의 국소적인 영역까지 선택적으로 자극할 수 있는 기술로서, 향후 뇌신경 재활에서 효과적인 치료기술 개발을 위한 다양한 응용 연구가 기대된다.
 

KIST 김형민 박사는 “이번 연구를 통해서 확인된 뇌신경 재활 효과가 사람에게 적용되기 위해서는 사람의 뇌졸중과 유사한 동물 모델을 통한 추가적인 검증이 필요하며, 초음파 뇌자극 기술의 안전성에 대해서도 장기적인 추적 연구가 이뤄져야한다.”라고 말하며, “환자의 뇌손상 정도와 손상위치 등의 다양성을 고려하여, 최적의 효과를 위한 장애 맞춤형 뇌자극 기술에 대한 추가적인 연구가 필요하다”고 밝혔다.
 

최근 KIST 바이오닉스연구단은 국가과학기술연구회의 지원을 받아 2018년도 창의형 융합연구사업(총 연구비 93억/5년)을 수주하였으며, 이번 연구결과를 바탕으로 환자맞춤형 뇌졸중 장애극복 기술 연구를 지속적으로 수행해나갈 계획이다.
 

이 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 보건복지부(장관 박능후) 연구중심병원 육성 R&D 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재활 분야 최상위 국제학술지 ‘Neurorehabilitation and Neural Repair’ (IF : 4.711, JCR 분야 상위 0.769%) 최신호에 게재되었다.
 

□논문명 : Modulation of cerebellar cortical plasticity using low-intensity focused ultrasound for post-stroke sensorimotor function recovery
(제1저자) 한국과학기술연구원 백홍채 학생연구원(박사과정)
(교신저자) 한국과학기술연구원 김형민 선임연구원
 

□연 구 결 과  개 요

뇌졸중은 암, 심장질환과 함께 3대 사망 원인 중 하나로, 뇌혈관이 막히는 뇌경색과 뇌혈관이 터져서 생기는 뇌출혈로 나눠지게 된다. 이중 뇌경색이 전체 뇌졸중에서 차지하는 비율은 85%에 달하며, 급성 뇌경색의 경우 발생 후 3시간 안에 사용할 수 있는 t-PA라는 혈전용해제가 현재 유일한 FDA승인 치료약물로 개발되어있다. 뇌로 들어가는 유해물질을 차단하는 혈액-뇌 장벽 (BBB)이 있기 때문에, 치료제의 개발이 쉽지 않은 가운데, 미세먼지가 이 장벽을 뚫고 뇌로 직접 침투할 수 있기에 혈전이 생겨 뇌졸중이 유발될 수 있다.
 

우리나라를 포함해 많은 국가에서 뇌자극 기술을 이용한 뇌졸중 치료 연구가 활발하게  이루어지고 있다. 뇌의 다양한 자극 위치에 따른 재활 효과를 입증하는 학계의 발표들이 잇따르는 가운데 빛 자극 및 전기 자극으로 소뇌 심부를 자극하여 뇌졸중 후 편마비를 경감시키는 연구들이 뇌졸중에서 소뇌 기능 회복의 중요성을 강조하고 있다. 기존의 빛 자극 및 전기 자극은 바이러스 감염 및 전극 삽입 등 뇌에 손상을 줄 수 있는 위험을 동반하는 반면, 본 연구에서 사용한 저강도 집속초음파 자극은 초음파의 기계적 힘을 두개골을 열지 않고 수 mm의 공간해상도로 신경세포에 전달하여 세포 활성과 억제를 조절할 수 있는 방법이다. 본 연구에서는 저강도 집속초음파 뇌자극 기술을 이용하여 소뇌의 특정 영역의 신경활성을 조절하고, 이를 통해 뇌졸중에 의한 뇌신경 손상을 보상할 수 있다는 것을 입증하였다.
 

이번 연구에서는 뇌졸중 후 총 2가지의 지각운동 행동 실험을 수행하여, 편마비에 의한 상지와 하지의 비대칭이 초음파 뇌 자극 후 2주 만에 정상 수준으로 회복되며, 초음파 자극을 받지 않은 대조군의 경우 4주 이후에도 비대칭의 완전한 회복이 이루어지지 않음을 확인하였다. 또한, 소뇌 초음파 자극은 혈관 확장 및 이에 관여하는 산화질소 (NO)등의 물질 생성을 유발하여 타깃이 아닌 대뇌의 뇌부종을 완화시키는 치료효과를 나타내는 것을 알 수 있었다. 이러한 연구 결과들은 소뇌 초음파 자극 중에 직접 상지의 운동을 유발시키고 자극에 따른 운동 유발전위를 만들어 낸 결과로 볼 수 있으며, 초음파 소뇌 자극이 뇌졸중으로 손상된 대뇌의 보완 메커니즘으로 이용될 수 있는 뇌자극 치료법으로서의 가능성을 보였다.
 

□연구 결과 문답

- 이번 성과 뭐가 다른가

소뇌에 집속초음파 자극을 주고, 자극에 의한 양쪽 상지에서의 근육 유발 전위를 검출함으로서 소뇌의 집속초음파 자극이 반대편 대뇌를 활성화 시킬 수 있음을 보여주었다. 이를 통해 기존에 침습적으로 뇌심부를 자극했던 뇌자극 방식 대신에 비침습적으로 뇌심부를 자극하는 집속초음파를 뇌졸중 재활 치료에 이용할 수 있음을 보여주었다.
 

- 어디에 사용할 수 있나

급성 뇌졸중 환자들 중에서 발병 후 3시간인 골든 타임을 놓치게 된 경우, 심한 뇌부종으로 인해 병변 계속 진행되는 것을 막기 위한 뇌부종 완화 목적으로 사용 가능하며, 재활치료와 병행해서 운동기능 회복을 위해 주기적인 뇌자극치료로 발전될 수 있다.
 

- 연구를 시작한 계기는

뇌졸중은 효과적인 재활치료가 생명인 만큼, 초음파의 비침습성과 심부자극 가능의 장점 및 자극 정확도를 이용하여 기존의 뇌졸중 재활에 이용된 뇌자극 기술의 한계를 극복하기 위해서 시작하게 되었다.
 

- 기대효과와 실용화를 위한 과제는

이번 연구를 통해 뇌졸중 후 한 번의 초음파 자극만으로도 4주 동안 자극에 의한 운동 기능 향상 효과가 유지되는 것을 확인하였고, 뇌부종 역시 유의미하게 감소하는 것을 보여주었다. 자극을 규칙적으로 반복하여 주게 되었을 때 운동기능 손상정도를 추가적으로 보상해주는 것도 가능할 것으로 기대한다. 물론 동물에서의 결과가 반드시 사람에게 모두 적용되지는 않을 수 있으나, 뇌의 크기가 비슷한 동물에게 적용하는 과정 및 안전성을 충분히 검토 후에, 임상 실험 및 개별 환자 맞춤형의 뇌 자극 기술로 발전 할 수 있는 가능성이 크다고 본다.
 

□용어 설명

1. 집속초음파 (Focused Ultrasound)
 ○ 사람이 들을 수 있는 영역대 이상의 (2만 Hz 이상) 주파수를 사용하여 공간 상의 특정 영역에 수 mm 이내의 공간해상도로 음향 에너지의 집속이 가능한 기술. 볼록렌즈로 태양빛을 모으는 원리와 비슷하며, 높은 강도를 이용할 경우 열에너지의 발생을 이용해서 주변조직의 손상 없이 수술적인 치료가 가능하며, 낮은 강도를 사용할 경우 순순하게 기계적인 에너지만을 이용해서 일시적으로 신경조직을 활성화 혹은 비활성화 시키는 것이 가능함.
 

2. 혈액-뇌 장벽(blood-brain barrier)
　○ 뇌 척수액과 혈액을 분리시키는 장벽으로, 혈액으로 운반될 수 있는 병원균, 세균 등과 같은 잠재적 위험물질로부터 뇌를 격리 시키는 역할을 한다.

□그림 설명

 <그림 1>
뇌졸중 재활을 위한 소뇌 저강도 집속 초음파 자극 실험의 파라미터 및 자극 모식도

김형민 박사 (교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 :  김 형 민
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원 의공학연구소
  바이오닉스연구단 (선임연구원)
  & KIST School, UST, 바이오-메디컬 융합 (부교수)  
 ○ 전 화 : 02-958-5695
 ○ e-mail : hk@kist.re.kr

2. 학력사항
 ○ 1995 ~ 1999 서울대학교 기계항공공학부 학사
 ○ 1999 ~ 2001 서울대학교 기계항공공학부 석사
 ○ 2007 ~ 2011 University of Bern, Cellular and Biomedical Sciences 박사

3. 경력사항 
 ○ 2002년 3월 ~ 2007년 2월  ㈜사이버메드, 팀장/연구소장
 ○ 2007년 3월 ~ 2011년 2월  Inst. for Surgical Tech. and Biomechanics, 스위스, 학생연구원
 ○ 2011년 3월 ~ 2013년 11월  Harvard Medical School, USA, 박사후연구원
 ○ 2013년 12월 ~ 현재   한국과학기술연구원 선임연구원

4. 연구지원 정보
 ○ KIST, 『기관고유사업』
 ○ 보건복지부, 『연구중심병원 육성 R&D 사업』
 ○ 한국연구재단, 『뇌과학원천기술개발사업』

백홍채 박사과정 (1저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 백홍채
 ○ 소 속 : KIST School, UST, Bio-Med 융합 전공 박사과정
 ○ 전 화 : 02-958-5928
 ○ e-mail : H15506@kist.re.kr

2. 학력사항
 ○ 2004 ~ 2008 전북대학교 분자생물학과 학사
 ○ 2013 ~ 2015 고려대학교 뇌공학과 공학석사 
 ○ 2015 ~ 현재  KIST School, UST, Bio-Med 융합 전공 박사과정

3. 전문분야 
 Focused ultrasound neuromodulation, Stroke, EEG

KIST 홍보실 제공