선린대학 물리치료과

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임상시험에 들어간 기억력 증진장치

게시일 2015-11-06 14:35

머릿속에 이식된 전극을 이용해 뇌를 자극함으로써 기억력을 증진시키는 전략이 임상시험에 들어갔다. 미 육군이 연구비를 지원하는 이 임상시험의 목표는 두부외상(head trauma)으로 인해 장기기억에 손상을 입은 수천 명의 병사들을 돕는 것이다. 지난 10월 17~21일 미국 시카고에서 열린 신경과학회 연례회의에서, 미 국방부 국방고등연구계획국(DARPA)의 지원을 받은 두 연구팀은 "뇌에 이식한 장치를 이용해 사람의 기억 유지능력을 향상시킬 수 있다"고 보고했다.

연구자들은 기억이 형성되고 저장될 때 발생하는 전기패턴(electrical pattern)을 흉내내어, 뇌손상에 의해 초래된 갭을 메울 수 있음을 입증했다. 희미한 기억을 자동으로 강화시키는 신경보철(neuroprosthetic)은 뇌손상을 입은 병사들은 물론, 뇌졸중이나 노화로 인해 기억력이 저하된 환자에게도 도움이 될 것으로 기대된다.

수술을 통해 뇌에 장치를 삽입하는 방법의 위험성을 고려하여, 두 연구팀은 모두 (이미 전극을 이식받은) 뇌전증 환자들을 대상으로 임상시험을 수행했다. 연구자들은 전극을 이용하여 뇌의 활성을 기록하고 특정 신경군(群)을 자극할 수 있었다. "물론 궁극적인 목표는 외상성 뇌손상을 치료하는 것이지만, 그때까지 환자들의 기억력을 보호하고 증강시키는 것도 필요하다. 왜냐하면 반복된 경련은 장기기억 형성에 필요한 뇌조직을 파괴할 수 있기 때문"이라고 USC의 테오도어 버거 박사(생명공학)는 말했다.

1. 단기기억은 해마의 일부분이 감각정보와 시공지각(perception of space and time)을 축적할 때 형성되어 잠깐 동안 보관되는데, 이 기간 동안 기억에 접근하면 그것을 강화(consolidation)시켜 장기기억으로 전환시킬 수 있다. 단기기억이 장기기억으로 전환되는 과정의 핵심은 해마의 CA3에서 CA1로 전기신호가 전달되는 것인데, 버거 박사가 이끄는 USC의 연구진은 `이 전기신호를 재형성함으로써, 해마에 손상을 입은 사람들의 기억강화능력을 회복시킬 수 있을 것`이라는 가설을 세웠다.

USC의 연구자들은 뇌전증 환자 12명에게 그림을 보여준 다음 90초 동안 회상해 달라고 요청했다. 그리고는 그들이 기억을 더듬는 동안 CA3와 CA1에서 신경이 발화되는 패턴을 기록했다. 다음으로, 연구자들은 CA1의 활성을 이용하여 CA3의 활성을 예측하는 알고리즘을 개발했다. 마지막으로, 실제 패턴과 (알고리즘을 이용하여) 예측한 패턴을 비교해 보니, 예측의 정확성은 약 80%인 것으로 확인되었다.

USC의 연구자들은 이 알고리즘의 예측에 입각하여, CA3이 손상된 환자들의 CA1에 적절한 패턴의(CA3에서 CA1으로 가는) 전기신호를 가할 수 있게 되었다. "우리는 이번 연구에서 한 여성 뇌전증 환자의 뇌를 자극하여 소기의 성과를 거뒀지만, 그녀의 기억력이 증진되었는지 여부를 논하는 것은 시기상조다. 우리는 향후 몇 개월 동안 좀 더 많은 사람들에게 이 방법을 테스트해 볼 계획이다. 우리의 궁극적 목표는 해마가 단기기억을 장기기억으로 전환시키지 못하는 때를 자동적으로 탐지하여, 적절한 자극을 가하는 장치를 개발하는 것"이라고 이번 연구에 참가한 USC의 송동 박사는 말했다. 참고로, 버거 박사가 이끄는 연구진은 원숭이를 이용한 선행연구에서, "CA1에 적절한 패턴의 전기자극을 가한 결과, 원숭이의 기억력이 유의하게 향상되었다"고 보고한 바 있다(R. E. Hampson et al. J. Neural Eng. 10, 066013; 2013).

"기억을 형성하는 코드를 그렇게 정확히 예측했다는 것은 놀라운 일이다. 그러나 CA1이 심하게 손상되어 자극에 적절히 반응할 수 없는 경우에는, 신호패턴을 흉내내기가 어려울 수 있다. 또한 해마는 너무 복잡하고 뇌의 여러 영역에서 신호를 입력받기 때문에, 해마를 CA3에서 오는 전기신호만으로 자극하는 것만으로는 불충분할 수도 있다"고 보스턴 대학교의 하워드 아이헨바움 박사(신경생물학)는 논평했다.

"나는 여러 해 동안 USC 연구진의 작업을 눈여겨보며, 동물실험에서 훌륭한 성과를 낸데 감탄해 왔다. 이번에 제시된 데이터는 신뢰성이 높지만, 몇 가지 이해할 수 없는 점이 있다. 뇌의 여러 영역들은 명백한 방법으로 조직화되어 있다. 예컨대 운동피질의 경우, 특정 지점을 자극하면 신체의 특정부분을 움직이게 할 수 있다. 그러나 해마의 경우에는 그런 식으로 조직화되어 있지 않다. 따라서 해마의 특정 지점을 자극함으로써 예측가능한 결과가 나올 수 있는지는 불투명하다"고 일본 이화학연구소(리켄) 산하 뇌과학연구소의 의 토머스 맥휴 박사(신경과학)는 말했다.

2. 한편 펜실베이니아 대학교(Penn)의 연구진은 USC의 연구진과 다른 접근방법을 이용하여 기억력 증진을 시도하고 있다. 그들의 방법은 기억의 형성과정을 세세하게 이해하지 않아도 된다는 특징이 있다.

Penn의 연구진은 `사람들의 기억력이 다양한 변수들(예: 카페인 섭취량, 스트레스 수준)에 따라 오르락내리락한다`는 점에 착안했다. 그리하여 뇌전증 환자들을 대상으로, 기억력이 저하되었을 때 내측측두엽(MTL: medial temporal lobe)을 자극함으로써 기억력을 향상시키는데 성공했다(MTL 속에는 해마가 존재한다). 그러나 기억력이 잘 작동하고 있는 경우에는 MTL을 자극하면 오히려 기억력이 저하되는 것으로 나타났다.

대니얼 리주토 박사(신경과학)가 이끄는 Penn의 연구진은 이번 연구에서, 28명의 참가자들에게 단어 목록을 외우게 했다. 참가자들이 단어를 외우는 동안, 연구진은 참가자들의 뇌활성을 기록하여 일정한 패턴을 파악했다. 그리고 이 패턴을 기반으로 하여 참가자가 주어진 단어를 기억하는지 여부를 정확히 예측하는 알고리즘을 개발했다. 그리하여 참가자가 단어를 까먹은 것으로 판단되는 시점에만 MTL을 자극함으로써, 참가자의 기억력을 최대 140%까지 향상시킬 수 있었다.

"우리는 지금까지 총 80명의 참가자들을 대상으로 뇌활성을 기록했으며, 좀 더 정밀한 전극을 사용하기 위해 보건당국과 접촉하고 있다"고 이번 연구에 참가한 Penn의 마이클 카하나 박사(심리학)는 말했다. "물론 기초과학의 관점에서 뇌자극이 잘 작동하는 원리를 규명하는 것도 좋지만, 설사 원리를 완전히 이해하지 못하더라도 안전성과 효능만 확인된다면 치료법으로 개발할 가치가 있다"고 맥휴 박사는 말했다.