[더리포트] 뇌졸중은 사망률이 높고, 사망하지 않더라도 뇌에 혈액이 공급되지 않아 신경세포가 손상되면 신체를 움직이기 어려워지는 심각한 질병이다. 뇌졸중으로 손상된 뇌신경 재활을 위해 운동 요법과 뇌신경 자극 등 다양한 기술이 개발되고 있다.

그중 저강도 집속초음파 자극 기술은 수술 없이 초음파가 두개골을 통과하여 원하는 위치에 높은 정확도로 기계적인 에너지를 전달하여 신경세포를 활성 혹은 억제할 수 있어 뇌졸중 등의 신경 손상 질환의 재활 치료기술로 기대되고 있다.​

이와 관련 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)이 착용이 가능한 무선 저강도 집속초음파 뇌 자극기를 제작하여 뇌졸중 동물 모델에 적용, 뇌졸중으로 손상된 뇌신경의 무선 재활 치료기술을 개발했다.

22일 한국과학기술연구원에 따르면 ​바이오닉스연구센터 김형민 박사팀은 2018년 소뇌 심부에 저강도 집속초음파 자극을 가하여 편마비에 의해 저하된 운동기능이 회복되는 치료법을 밝힌 바 있다(Neurorehabil Neural Repair. 2018 Sep;32(9):777-787.).

2020년에는 뇌졸중 소뇌 심부 저강도 집속초음파 자극 치료기술이 뇌파 중 하나인 델타파의 변화와 밀접하게 연관됨을 입증하였다.(IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2020, 28(9): 2073-2079.)

이 기술을 다양한 환경에서 뇌졸중 환자의 재활 치료에 효율적으로 사용하기 위해서는 초음파 기계를 일상생활에서 편하게 착용할 수 있어야 하지만, 기존 초음파 뇌 자극기는 무겁고, 고정되어있어 마취되거나 고정된 동물을 대상으로 하는 실험에서만 사용할 수 있어 실용화가 어려웠다.

KIST 연구진은 축적된 연구 결과를 바탕으로 저강도 집속초음파를 무선으로 조정할 수 있는 약 20g의 가벼운 착용형 뇌 자극기를 개발하여 뇌졸중 쥐 모델에 사용해 운동 능력을 측정한 결과, 재활 효능이 있다는 것을 검증하였다. 뇌졸중 쥐 모델의 뇌에서 운동을 관장하는 영역에 약 426kPa의 압력을 갖는 초음파를 가하여 재활 3일 후 초음파를 가하지 않은 뇌졸중 모델과 비교했을 때 운동 능력이 유의미하게 향상되었고, 재활 7일 후에는 정상 쥐와 유사한 운동 능력을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

김형민 박사팀이 개발한 뇌 자극기는 가벼운데다 무선이어서 신체적 움직임에 따른 제약 없이도 초음파로 뇌 운동 영역을 자극함으로써 뇌졸중으로 손상된 신경의 재활이 가능하다는 것을 보여주었다. 이러한 연구 결과는 머지않아 임상 수준에서의 착용형 초음파 뇌 자극 기술 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

​KIST 김형민 박사는 “최근 착용형 뇌 자극 기술의 발전이 빠르게 이루어지고 있는 상황에서 착용형 초음파 기기를 이용한 비침습적인 뇌신경 재활 치료가 가능하다는 것을 입증했다 것이 본 연구의 의의”라며, “앞으로 자극 후 안전성과 질병 치료의 효과를 보장하기 위해서 초음파 자극을 통한 신경조절의 분자적, 세포적 메커니즘을 밝혀 및 자극 프로토콜을 최적화하는 후속 연구가 필요하다.”라고 밝혔다.

​이 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 의공학 분야 국제 저널인 ‘IEEE Transactions on Biomedical Engineering’ 최신 호에 게재되었다.