엔지니어들이 신경계 질환을 앓는 환자의 떨림이나 발작을 감지하고 예방할 수 있는 무선 '뇌 박동기 '를 개발했습니다.
세계보건기구( WHO ) 에 따르면 전 세계적으로 10억 명이 넘는 사람들이 신경계 질환으로 고통받고 있으며, 매년 600만 명 이상이 사망합니다. 이러한 질환에는 간질, 알츠하이머병 , 뇌졸중 또는 뇌손상, 파킨슨병 등이 포함됩니다 . 신경계 질환은 선진국과 개발도상국 모두에서 발생하며, 적절한 의료 시스템, 숙련된 인력 부족 또는 기타 요인으로 인해 치료를 받지 못하는 경우가 많습니다. 세계 인구는 고령화되고 있으며, WHO는 향후 30~40년 안에 인구의 절반 이상이 65세 이상이 될 것이라고 예측합니다. 따라서 신경계 질환은 가까운 미래에 심각한 건강 문제로 대두될 것이라는 점을 인식하는 것이 중요합니다.
뇌를 위한 '심장박동기'
미국 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 엔지니어들이 뇌의 전기 활동을 동시에 감지(기록)하고 자극(전류 전달)할 수 있는 혁신적인 신경 자극기를 개발했습니다. 이러한 장치는 파킨슨병이나 간질과 같은 신경 질환 환자들에게 맞춤형 치료를 제공할 수 있습니다. WAND(무선 잡음 제거 신경 조절 장치)라고 명명된 이 장치는 심장 박동 조절기 와 유사한 ' 뇌 박동 조절기 '로 불릴 수 있습니다. 심장 박동 조절기 는 심장 박동이 불규칙할 때 이를 감지하여 심장에 신호를 보내 정상적인 박동을 유지하도록 하는 소형 배터리 구동 장치입니다. 마찬가지로, 이 뇌 박동 조절기는 뇌의 전기 활동을 무선으로 자율적으로 모니터링하고, 뇌의 떨림이나 발작 징후를 학습한 후에는 이상 징후가 나타날 때 '적절한' 전기 자극을 전달하여 자극 매개변수를 스스로 조절할 수 있습니다. 이는 기록과 자극을 동시에 수행할 수 있는 폐쇄 루프 시스템으로, 다양한 매개변수를 실시간으로 조정할 수 있습니다. WAND는 폐쇄 루프 시스템에서 125개 이상의 채널을 통해 뇌의 전기 활동을 기록할 수 있습니다. 실제 시연에서 연구진은 WAND가 영장류 원숭이(레서스 마카크)의 매우 특정한 팔 움직임을 인식하고 적절한 조치를 취하여 성공적으로 지연시킬 수 있음을 보여주었습니다.
이전 장치의 과제
신경계 질환이 있는 환자에게 적합한 치료법을 찾는 데 있어 가장 큰 어려움 중 하나는 먼저 절차를 찾는 데 오랜 시간이 걸리고 그 다음에는 높은 비용이 소요된다는 것입니다. 그러한 장치는 환자의 떨림이나 압수를 매우 효과적으로 방지할 수 있습니다. 그러나 실제 발작이나 떨림 전에 오는 전기적 신호는 매우 미묘합니다. 또한 이러한 떨림이나 발작을 예방하는 능력이 있는 원하는 전기 자극의 빈도와 강도도 매우 민감합니다. 이것이 특정 환자에 대한 작은 조정이 그러한 장치가 최적의 치료를 제공할 수 있기까지 일반적으로 몇 년이 걸리는 이유입니다. 이러한 과제가 적절하게 충족되면 결과와 접근성이 확실히 증가할 수 있습니다.
네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering) 에 발표된 새로운 연구에서 연구진은 최적의 자극을 제공하여 환자에게 최상의 결과를 가져다주는 장치를 개발하고자 했습니다. 이는 뇌의 신경 패턴 또는 신호를 듣고 기록해야만 가능합니다. 그러나 전기 신호를 기록하고 자극하는 것은 매우 어려운 과제입니다. 자극을 통해 전달되는 강한 펄스가 뇌의 전기 신호를 압도할 수 있기 때문입니다. 현재의 심부뇌자극기는 뇌의 동일한 영역에 자극을 '전달'하는 동시에 '기록'하는 것이 불가능합니다. 이러한 동시 자극은 폐쇄 루프 치료에 있어 가장 중요한 요소이며, 현재 상용화된 장치 중 이러한 기능을 갖춘 장치는 없습니다.
여기에서 WAND의 탁월함이 그림으로 나타납니다. 연구원들은 미세한 뇌파와 더 강한 전기 맥동 모두에서 완전한 신호를 '기록'할 수 있는 WAND 맞춤형 회로를 설계했습니다. 전기 맥동에서 신호를 빼면 기존 장치로는 할 수 없는 뇌파 신호가 더 명확해집니다. 따라서 뇌의 동일한 영역에서 동시 자극과 기록은 이상적인 치료를 설계하는 데 사용할 수 있는 정확한 사건을 전달합니다. WAND를 사용하면 다양한 애플리케이션에서 사용할 수 있도록 재프로그래밍할 수 있습니다. 원숭이에 대한 라이브 실험에서 WAND 장치는 신경 신호를 감지하는 데 능숙했으며 원하는 전기 자극을 전달할 수 있었습니다. 이 두 가지 작업을 함께 수행하는 폐쇄 루프 시스템이 처음으로 시연되었습니다.
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출처
Zhou A et al 2018. 인간이 아닌 영장류의 폐쇄 루프 자극 및 기록을 위한 무선 및 인공물이 없는 128채널 신경 조절 장치. 자연 생체 공학.
https://doi.org/10.1038/s41551-018-0323-x
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