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초음파를 활용한 뇌졸중 재활 치료법, 뇌파 변화와 밀접한 상관관계 발견

  • 등록일 : 20-07-23
  • 바이오닉스연구단 김형민 박사팀
  • 조회수 : 10297
- 뇌졸중 이후 초음파 자극을 통한 병변부위 뇌파 변화 분석  

- 뇌파 관찰을 통한 치료효과 예측 및 맞춤형 자극 기술 개발의 발판 마련


한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 바이오닉스연구단 김형민 박사팀은 뇌졸중으로 손상된 뇌신경의 재활 치료기술이 뇌파 중 하나인 델타파의 변화와 밀접하게 연관됨을 입증하였다.
뇌혈관의 출혈 및 경색에 의한 뇌졸중은 사망률이 높은 질환이다. 사망에 이르지 않더라도 혈액 공급 차단에 의한 신경세포의 손상은 신체 움직임의 장애를 유발시킨다. 다양한 뇌 자극 기술들이 뇌졸중 이후 뇌신경 재활을 위해 연구되고 있다.
KIST 김형민 박사는 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.) 이 기술은 두개골을 열지 않아도 되고, 정확한 위치의 깊숙한 뇌 영역을 선택적으로 자극할 수 있다는 장점이 있어 다양한 뇌 부위에서 일어나는 뇌졸중 환자를 치료할 수 있는 기술로 주목받고 있다.
이 기술을 다양한 환자 치료에 적용하기 위해서는 뇌 자극 후 치료예후를 평가하고, 운동 기능 회복을 극대화하기 위한 자극의 강도 및 빈도를 최적화 할 수 있는 자극 가이드가 필요하다.
이를 위해 KIST 연구진은 뇌졸중으로 손상된 부위의 뇌 신경세포의 뇌파 변화를 치료과정 동안 함께 관찰하였다. 뇌파 중에서도 뇌 손상이 일어난 부위에 비정상적으로 증가하는 뇌파인 델타파(1-4 Hz)의 변화를 병변쪽 뇌와 정상인 반대쪽 뇌에서 분석하였다.
KIST 연구진이 개발한 치료법을 통해 뇌졸중이 일어난 쥐의 소뇌 심부에 3일간 초음파 자극을 준 결과, 첫날에 비해 운동 기능이 3배 이상 회복되었고 4일 째에도 유지되었다. 이 실험 동안 델타파의 변화를 관찰하였는데, 뇌졸중에 의해 최고 3배나 증가한 델타파가 초음파 자극 그룹에서는 양쪽 뇌의 델타파 균형이 대칭에 가깝고, 정상 수준에서 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 
위 결과를 통해 초음파 자극에 의해 델타파가 억제될 수 있으며, 이러한 변화가 운동기능 향상을 반영하고 있는 뇌신경 변화 현상임을 알게 되었다. 향후 뇌파를 모니터링하여 맞춤형 자극 기술을 개발하면 동물실험에서 실제 환자 치료로 발전 될 수 있을 것으로 기대한다.
KIST 김형민 박사는 “초음파 뇌 자극 기술의 놀랍도록 빠른 발전 속도와 다양한 뇌 질환에서 연구되고 있는 현재 상황을 볼 때, 앞으로 초음파 뇌 자극이 안전하고 효과적인 뇌졸중 치료법으로 사용될 날이 멀지 않았다.”라고 전하면서, “이를 위해 여러 자극 조건과 장기간 추적 관찰의 안정성 검증이 매우 중요할 것”이라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 재활분야 국제 저널인 ‘IEEE Transactions on Neural Systems & Rehabilitation Engineering’ 최신 호에 게재되었다.
 * (논문명) Deep Cerebellar Low-intensity Focused Ultrasound Stimulation Restores Interhemispheric Balance after Ischemic Stroke in Mice
   - (제 1저자) 한국과학기술연구원 백홍채 박사 (現, Washington Univ. 박사후연구원)
   - (제 1저자) 한국과학기술연구원 Anvar Sariev 박사과정
   - (교신저자) 한국과학기술연구원 김형민 책임연구원


<그림설명>

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[그림 1] 초음파 자극 그룹과 비 자극 그룹에서 델타파의 변화
초음파 뇌 자극 그룹에서 신경세포 손상에 의한 델타파 증가가 subacute II (뇌졸중 후 72 시간) 기간까지 억제됨을 보이고 있으며, 양쪽 뇌에서의 델타파 균형은 뇌 자극이 없었던 chronic (뇌졸중 후 96 시간) 시간까지 정상범위로 유지됨을 보임.

[그림 2] 운동신경 회복과 델타파의 상관 관계 및 안정성 검증
뇌졸중에 의한 뇌신경 손상으로 증가한 델타파가 초음파 뇌 자극에 의하여 감소되었고, 이러한 델타파의 감소 정도가 높을수록 운동 재활 효과가 증가함을 보임.