외과적 수술 없이 초음파 자극으로 뇌신경을 조절하는 방법이 제안됐다. 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 박주민 연구위원(UST-IBS 스쿨 교수) 연구팀은 뇌파를 모사한 두 가지 패턴의 초음파 자극으로 뇌신경을 조절하는 기술을 개발했다. 기존의 전·자기 자극을 이용하는 비침습적 방법에 비해 뇌의 심부까지 효과적으로 자극할 수 있고, 그 효과도 장기적으로 지속돼 뇌질환 치료와 관련 연구에 기여할 것으로 기대된다.
우리 뇌는 생체 내외 환경 변화에 맞춰 기능과 형태를 조절하는 능력을 갖고 있다. 이것은 다양한 자극과 신호전달 강도에 따라 신경세포 간 연결이 조절되는 ‘신경 가소성’이라는 뇌의 주요한 특성 덕분이다. 이를 활용해 전·자기, 빛, 소리 등의 자극으로 신경 활동을 조절해 우울증, 뇌전증과 같은 뇌질환을 치료하는 다양한 방법을 연구 개발해 왔다.
하지만 금속 전극을 뇌 속에 삽입하는 외과적 수술을 통한 방법은 뇌 조직 손상, 감염 등의 부작용 위험이 있다. 최근 널리 활용되는 경두개 자기 자극이나 경두개 직류 자극같이 신체 외부에서 전·자기 자극을 가하는 비침습적 방법은 뇌 투과율과 공간 해상도가 낮다. 이로 인해 특정 뇌 영역과 뇌 심부에 대한 신경 조절이 어렵다는 한계가 있다.
연구팀은 기존의 신경 조절 기법의 한계를 극복하는 방법으로 초음파 신경 조절 기술에 주목했다. 초음파는 뇌 심부까지 정밀한 자극이 가능하다. 이런 초음파의 특성에 더해 이번 연구에서 실제 뇌파의 형태를 모사한 새로운 초음파 방식을 적용했다.
연구팀은 저강도 500킬로헤르츠(kHz) 초음파를 이용해 뇌의 인지기능에 중요한 것으로 알려진 세타파와 감마파를 결합한 형태의 파장을 생성했다. 저강도 초음파는 자극 과정에서 열에 의한 조직 손상 등 부작용이 없다는 장점이 있다. 이어 뇌파 분석으로 기계적 자극인 초음파가 실제 뇌에서 동일한 파장의 전기적 신호 형태의 뇌파를 활성화한다는 사실을 확인했다.
이를 바탕으로 뇌의 기능 변화를 강화와 억제, 두 방향 어느 쪽이든 가능하게 하는 두 가지 패턴의 조절 기술을 개발했다. 이 기술은 동일한 초음파 에너지의 패턴을 뇌의 기능에 맞춰 연속적인 자극을 주는 연속형 자극 패턴과 일정한 간격마다 반복적으로 자극을 주는 간헐적 패턴을 달리 적용함으로써 뇌 기능을 조절할 수 있다.
연구팀이 두 가지 패턴의 초음파 자극을 실험동물 모델에 적용한 결과, 간헐적 패턴의 초음파를 적용하면 뇌의 특정 영역에 대한 장기적인 흥분 효과가 유도됐다. 한편 연속형 자극 패턴을 적용하면 장기적인 억제 효과가 유도됨을 확인했다. 이러한 효과는 자극이 끝난 뒤에도 장시간 지속됐다.
연구팀은 초음파 자극에 의한 양방향 신경 조절 과정에 비신경세포인 별세포(Astrocyte)의 칼슘채널 TRPA1(세포막의 기계적 자극에 의해 활성화되는 채널)과 칼슘의존이온채널 BEST1(칼슘에 반응하는 음이온 채널, 별세포에서 신경전달물질을 분비할 때 이용)이 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다. 초음파가 세포 내 칼슘 흡수를 매개하는 TRPA1을 자극하면 세포 내 칼슘의 농도가 높아지고, 칼슘에 의해 반응하는 BEST1이 활성화해 별세포로부터 흥분성 신호전달 물질인 글루탐산과 뇌신경 인자들이 분비된다. 이후 글루탐산 수용체가 활성화돼 신경세포 활동이 조절되는 것이다.
추가 생쥐 행동실험에서 연구팀은 간헐적 뇌파 모사 패턴의 초음파 자극으로 생쥐의 운동 기술 습득 및 기억 능력을 개선하는 데도 성공했다. 대뇌 운동피질에 간헐적 뇌파 모사 초음파 자극을 가한 생쥐는 투명 아크릴 벽 뒤에 있는 먹이를 좁은 틈으로 회수하는 실험에서 짧은 시간 내 더 높은 먹이 회수율과 학습 능력을 보였다. 이는 초음파 자극을 이용한 뇌신경 조절 기술이 뇌의 인지기능을 향상시키는데 효과가 있음을 시사한다.
박주민 연구위원은 “이번 연구로 안전하고 장기적으로 효과가 지속되는 새로운 신경 조절 기술을 개발했을 뿐 아니라 초음파 신경 조절의 분자적 변화 기전을 밝혔다”라며, “비정상적인 뇌 흥분 및 억제와 관련된 뇌질환의 치료, 인지기능 개선을 위한 연구에 활용될 것으로 기대한다”라고 전했다.
이번 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 2월 24일(한국시간) 게재됐다.
