neuromodulation using brain stimulation

권영우 교수

권영우 교수
(서울대학교 전기정보공학부)

모방형 경제에서 탈피하여 창의와 융합, 첨단과학기술과 정보통신기술 등을 기반으로 기존 주력산업 및 신성장 산업의 경쟁력을 높이고 신시장을 개척하려는 창조경제에 대한 관심이 끊이지 않고 있다. 이의 가장 영향력 있는 분야로 의학, 전기·전자공학, 생물학 등 다분야의 지식을 필요로 하는 의료기기 산업이 주목을 받고 있다. 특히 최근 많은 관심을 받고 있는 모바일 헬스케어 등에 필수적인 정보통신에 대한 전문 지식과 인력 수요가 급증하고 있다.

뇌는 환경 자극 때문에 변화하는 분명한 가소성(plasticity)을 가지고 있다. 학습이나 기억으로 유발되는 뇌의 변화 외에도 뇌의 외상에 대한 재조직화 반응에 의해서도 뇌의 가소성 현상은 발생한다. 이러한 가소성의 의하여 뇌는 빠르게 변화하고 종종 예측할 수 없는 환경적, 경험적 변화에 적응할 수 있게 된다. 전기 자극에 따른 재조직화 반응을 이용하여 뇌의 신경조절을 구현하려는 다양한 시도가 보고되고 있다.

1963년 100 Hz ~ 200 Hz의 전기 자극으로 파킨슨병 환자의 진전이 호전되었다는 보고 이래 현재까지 뇌심부 자극술(Deep Brain Stimulation)은 이상운동질환에서 안전하고, 효과적인 치료법으로 알려졌다. 미국 식약청은 1997년 이후로 진전, 파킨슨병(2002년), 근긴장이상증(2003년), 강박증(2009년)에 대한 뇌심부자극술의 사용을 승인하였다. 국내에서는 2005년 1월 보험 적용 대상이 되었으며 다양한 질환에서 뇌심부 자극술이 시행되고 있다. 하지만 뇌심부 자극술의 명확한 기전은 아직 밝혀지지 않은 상태이며 뇌 심부에 전기전극을 삽입하기 위한 뇌수술의 어려움과 그에 따른 부작용은 극복해야 할 과제이다. 그림 1은 뇌 심부핵에 삽입된 전기 전극과 쇄골 아래 부위의 자극기이다.

뇌심부 자극술. 뇌심부에 삽입된 전기전극(좌), 쇄골아래 삽입된 자극기(우)

뇌심부 자극술. 뇌심부에 삽입된 전기전극(좌), 쇄골아래 삽입된 자극기(우)

수술의 심리적 거부감을 해결할 수 있는 비침습적 뇌 자극은 자기 또는 전기 등을 이용하여 수술적 치료 없이 뇌의 특정 부위를 국소적으로 안전하게 자극하여 신경 조절(neuromodulation)을 구현하는 방법이다. 이러한 비침습적 뇌 자극은 기존의 뇌 질환 재활치료방법과는 달리 기능장애가 있는 뇌 신경의 가소성을 직접 조절할 수 있는 새로운 치료방법으로 주목을 받고 있다. 경두개 자기자극(Transcranial Magnetic Stimulation)은 코일을 통해 형성된 강력한 자기장이 인체 조직 내에서 유도전류를 생성하여 일반적인 전기 자극처럼 신경의 탈분극을 일으키는 원리를 이용한다. 직류 전기를 이용한 경두개 직류 전기자극(transcranial Direct Current Stimulation)과 경두개 자기자극은 현재 임상적으로 사용되고 있다. 특히, 치료 저항성 우울증 환자의 경우에 경두개 자기자극의 효용이 규명되면서 2008년 10월 미국 식품의약청(FDA)에서 항우울제 치료에 반응하지 않는 우울증 환자 치료에 대해 경두개 자기자극 사용을 공식적으로 승인하였고 이후 임상 적용이 급증하고 있으며 국내에서도 2013년 5월 경두개 자기자극 장비가 우울증 치료로 제조 허가를 받게 되었다. 그림 2에 경두개 자기자극과 경두개 직류 전기자극의 시행 예를 보인다. 경두개 자기자극은 직류 전기자극보다 피부 자극이 적은 장점이 있으나 장비 가격이 비싸고 이동이 어려우며 경두개의 자극은 가능하지만, 뇌 심부의 자극이 어려워 다양한 이상운동질환의 치료로는 부족하다. 경두개 직류 전기자극은 장비의 이동이 간편하고 가격이 상대적으로 저렴한 장점이 있지만, 자극 부위가 넓어 원하는 부위의 국소적 자극이 어렵다. .@prof. 권영우, New Media and Communications Newsletter 2014. 12

경두개 자기자극술(좌

경두개 자기자극술(좌

경두개 직류 전기자극술(우)

경두개 직류 전기자극술(우)