선린대학 물리치료과

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마비된 쥐를 걷게 만든 제어 기술

게시일 2014-10-08 10:25

그것은 이상한 장면이었다. 마비된 쥐가 정확한 율동으로 뒷다리를 이용하여 걸었고, 이 모든 것은 컴퓨터에 의하여 제어되고 있다.

"이것은 약간 프랑켄슈타인처럼 보일 수 있다"고 스위스의 로잔 공대(EPFL: Ecole Polytechnique Federale in Lausanne)의 신경과학자인 그레구와 쿠르틴(Gregoire Courtine)이 말했다. 그레구와 쿠르틴은 마비된 동물이 부드럽고 실제적인 움직임을 회복하도록 돕기 위하여 전자학을 이용하는 자신의 연구 결과를 2014년 9월 24일에 병진 의학 관련 국제 학술지(명칭: Science Translational Medicine)에서 논문으로 발표하였다.

이 연구는 전기 펄스를 마비된 사람의 척수로 보내서 다시 걷도록 돕기 위한 더 큰 연구 프로젝트의 일환이다. 이러한 신호는 일반적으로 뇌가 보내는 명령을 대체할 수 있으나, 척수가 손상된 경우 이러한 신호는 중단된다.

올해(2014년) 봄에 미국 루이빌 대(University of Louisville)와 미국 캘리포니아 대 로스앤젤레스 캠퍼스(UCLA: University of California, Los Angeles) 출신의 의사 및 연구자들은 경막외 자극(epidural stimulation)이라 불리는 기법으로 척수를 모사하는 이식된 장치를 이용하여 수년 동안 마비된 4명의 남자 환자가 자신의 다리, 엉덩이, 발목, 발가락 등에서의 움직임을 회복하고, 심지어 일어설 수 있게 만들었다. 비록 이러한 움직임이 그다지 대단하지 않았고, 환자가 스스로 걷도록 하는 데에는 미치지 못했지만, 이 기술을 이용하면 자신의 다리를 훈련시켜서 일부 움직임을 회복하는 것처럼 보였다.

지금까지 경막외 자극이 가지는 단점은 전기 펄스가 복잡하고 조화된 움직임을 만들지 못한다는 것이다. 또한, 인간 시험에서 자극기는 수동으로 제어되었다. 이 경우가 바로 그레구와 쿠르틴이 개발한 시스템이 작동하게 되는 곳이다. 연구팀은 쥐가 걷는 동작을 촬영하였고, 이 동영상을 소프트웨어에 제공하여 동기화된 걸음걸이 동작을 만들도록 자극 패턴을 신속하게 조절하였다.

이러한 시스템은 환자가 율동적으로 걷고, 자신의 균형을 유지하도록 도울 수 있다. "시스템이 더 개선될수록 자극되는 환자는 결정을 계속 내릴 필요 없이 자유롭게 될 것"이라고 캘리포니아 대 로스앤젤레스 캠퍼스(UCLA)의 생리학자이며, 환자에게 경막외 자극을 시험한 레지 에저튼(V. Reggie Edgerton)이 말했다.

스위스 과학자들은 결과를 만들기 위하여 쥐 6마리의 척수를 자르고, 유연한 전극을 하부 척수에 이식하였다. 또한, 과학자들은 쥐에게 세로토닌 작용약(serotonin agonist)이라고 알려진 약제를 투입하여 부상 후에 격감된 능력인 척수가 다리와 통신하는 능력을 준비시켰다. 쥐는 트레드밀(treadmill: 걷기나 달리기용 운동 기구)이나 장애물을 가진 주로 상에 놓여졌고, 쥐의 무게는 별도의 장치로 지지되었다. "이것은 마비되었음에도 불구하고 실시간으로 다리 움직임을 조절할 수 있는 최초의 폐회로 제어 시스템(closed-loop control system)"이라고 그레구와 쿠르틴이 말했다. 각각의 쥐는 최소한 1000번 이상의 연속적인 걸음을 걸었으며, 쥐 크기에 맞춘 계단도 성공적으로 올랐다.

그레구와 쿠르틴 연구팀은 이러한 아이디어를 내년(2015년)에 인간 지원자에게 시험하기를 희망하고 있다. "아이디어는 이 기술을 재활운동실에서 사용하는 것"이라고 그레구와 쿠르틴이 척수와 다리를 훈련시키는 것이 절단된 뇌와의 연결을 부분적으로 복원할 수 있다는 증거를 언급하면서 말했다.

그러나 경막외 자극 기술이 마비된 환자를 스스로 걷게 만들기까지 아직 갈 길이 멀다. 환자는 스스로 자신의 움직임을 제어하기 원하며, 이것은 미래의 시스템이 자동화된 루틴과 사용자가 선택한 움직임 사이에 균형을 유지해야 함을 의미한다고 미국 케이스웨스턴리저브 대(Case Western Reserve University)의 생체공학자인 헌터 펙함(Hunter Peckham)이 말했다.

그레구와 쿠르틴 연구팀은 의도된 움직임을 기록하기 위하여 뇌의 운동피질에 이식된 전극과 같은 뇌-기계 인터페이스를 개발하고 있다. 이러한 뇌-기계 인터페이스는 결과적으로 환자가 자신의 생각에 의하여 척수 자극기과 자신의 다리 움직임을 제어할 수 있도록 만들 것이다.

[관련 논문 서지 정보] Nikolaus Wenger, Eduardo Martin Moraud, Stanisa Raspopovic, Marco Bonizzato, Jack DiGiovanna, Pavel Musienko, Manfred Morari, Silvestro Micera, and Gregoire Courtine, "Closed-loop neuromodulation of spinal sensorimotor circuits controls refined locomotion after complete spinal cord injury," Science Translational Medicine, 24 September 2014 6:255ra133. DOI:10.1126/scitranslmed.3008325