[대학저널 오혜민 기자] GIST 전기전자컴퓨터공학부 전성찬 교수 연구팀이 뇌기능 향상 및 뇌질환 치료에 널리 사용되는 전기 자극의 영향력을 예측하는 정확도 높은 컴퓨터 기반 시뮬레이션 가이드라인을 제시했다.
연구팀은 기억력 또는 학습능력 증진과 같은 뇌기능 향상과 뇌졸중, 파킨슨 병, 우울증 등의 뇌질환 치료법으로 주목받고 있는 ‘뇌 전기 자극’ 기법들 중 비침습적 뇌 전기 자극(Non-invasive brain stimulation)이 미치는 영향을 거시적 미세 레벨에서 예측하고 상호관계를 규명했다.
뇌 전기 자극법은 기억력, 창의력, 연산 능력 향상부터 우울증, 간질, 조현병, 치매의 증상 개선 등 뇌 기능과 관련된 여러 영역에 응용되고 있다. 그러나 높은 활용성에도 불구하고 뇌의 어느 영역이 자극되는지, 해당 영역의 신경 세포가 어떤 반응을 보이는지에 대해 아직 밝혀지지 않은 상태다. 따라서 개인별 일관되지 않은 효과가 보고되고 있으며 정확한 가이드라인 없이 시행되고 있는 실정이다.
현재 전기 자극의 효과를 예측하기 위한 뉴로네비게이션 시스템이 가장 활발히 사용되고 있다. 대다수 연구팀은 전기 자극이 미치는 영향을 예측하기 위해 자기공명영상(magnetic resonance imaging; MRI)을 이용해 뇌의 구조적 특징을 복원하고 두피에 전극을 부착한 뇌 정교 컴퓨팅 모델을 구현해 외부 전기 자극에 의해 유도되는 전류 분포를 통해 전기 자극의 효과를 예측해 왔다.
최근 전기 자극의 효과를 더욱 정밀히 예측하기 위해 신경세포 모델을 뇌 컴퓨팅 모델과 결합해 자극에 의한 활성화 정도를 시뮬레이션하는 멀티스케일 모델링 기법이 제안됐다. 하지만 해부학적으로 정교한 뇌 모델의 구조가 복잡해 신경세포 모델과의 결합이 간단하지 않아 복잡한 처리 과정과 상당 계산 시간을 요구하기 때문에 일부 연구팀에서만 결과를 보고하고 있는 실정이다.
전성찬 교수 연구팀은 비침습적 전기 자극을 위한 멀티스케일 모델링을 구축해 전기 자극이 미치는 영향을 거시적 단계 분석에 해당하는 전류 분포뿐 아니라 미세 단계 분석인 신경세포 활성화 반응에 대해 연구하고 상호관계를 규명했다.
이번 연구를 위해 세 가지 형태의 신경세포 모델(별모양 또는 피라미드 모양)을 이용해 유도 전류가 흐르는 방향에 따라 신경세포 활성에 미치는 영향을 시뮬레이션 했다. 그 결과 신경세포의 활성화 반응을 일으키지 않고 막전위 값을 변화시키는 역치 아래의 자극에 대해 전류 분포와 신경세포의 반응 간 피어슨 상관계수가 0.8 이상으로 높은 상호 관계를 보였다. 또 역치 이상 자극의 경우 복잡한 신경세포 활성화 반응 패턴을 보임으로써 멀티스케일 모델링을 통한 예측이 중요함을 확인했다.
전성찬 교수는 “이번 연구는 컴퓨터 기반 뇌 자극의 영향을 세포 단위에서 규명함으로써 뇌 기능을 이해하고 증진하는데 기여할 것”이라며 “인구고령화에 따른 뇌 관련 질환 치료를 돕는 전기 자극 뉴로네비게이션 시스템의 가이드라인을 제시해 치료 효과를 높일 뿐 아니라 다양한 뇌기능 향상을 위해 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.
GIST 전기전자컴퓨터공학부 전성찬 교수(교신저자)가 주도하고 서현 연구원(제1저자)이 참여한 이번 연구는 GIST 창조적 도전과제와 한국연구재단 (NRF)의 개인연구자지원사업, 교육부의 개인기초연구지원사업, 정보통신기술진흥센터 (IITP)의 지원을 받아 수행됐으며 연구 성과는 신경 조절 저명 학술지((IF 6.12, JCR 랭크 상위 9%)인‘Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation’에 1월 22일자로 게재됐다.
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