외과적 수술 없이도 초음파 자극으로 뇌신경을 조절하는 방법이 새롭게 제안됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단(단장 이창준) 박주민 연구위원(UST-IBS 스쿨 교수) 연구팀은 뇌파를 모사한 두 가지 패턴의 초음파 자극으로 뇌신경을 조절하는 기술을 개발했다. 기존의 전․자기적 자극을 이용하는 비침습적 방법에 비해 뇌의 심부까지 효과적으로 자극할 수 있고, 그 효과도 장기적으로 지속돼 뇌질환 치료 및 관련 연구에 응용이 기대된다.

우리 뇌는 생체 내외 환경 변화에 맞춰 기능과 형태를 조절할 수 있는 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 치료하기 위한 다양한 방법들이 개발되어 왔다.

하지만 금속 전극을 뇌 속에 삽입하는 등 외과적 수술을 통한 방법은 뇌 조직 손상, 감염 등의 부작용을 유발할 수 있다. 최근에 널리 활용되는 경두개 자기 자극이나 경두개 직류 자극같이 신체 외부에서 전․자기 자극을 가하는 비침습적 방법은 뇌 투과율과 공간 해상도가 낮아 특정 뇌 영역 및 뇌 심부에 대한 신경 조절이 어렵다는 한계가 있다.

연구팀은 기존의 신경 조절 기법의 한계를 극복할 방법으로 초음파 신경 조절 기술에 주목했다. 초음파는 뇌 심부까지 정밀하게 자극이 가능하다. 이런 초음파의 특성에 더해 이번 연구에서는 실제 뇌파의 형태를 모사한 새로운 초음파 방식을 적용했다.

먼저 연구팀은 저강도 500 킬로헤르츠(kHz) 초음파를 이용해 우리 뇌의 인지 기능에 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 쪽으로도 가능하게 하는 두 가지 패턴의 조절 기술을 개발했다. 이 기술은 동일한 초음파 에너지의 패턴을 뇌의 기능에 맞춰 연속적인 자극을 주는 연속형 자극 패턴과 일정 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. 반대로, 연속형 자극 패턴을 적용하면 장기적인 억제 효과가 유도됨을 확인했다. 이러한 효과는 자극이 끝난 뒤에도 장기간 지속됐다.

연구팀은 초음파 자극에 의한 양방향 신경 조절 과정에 비신경세포인 별세포(astrocyte)의 칼슘채널 TRPA1¹⁾과 칼슘의존이온채널 BEST1²⁾이 중요한 역할을 수행한다는 사실을 밝혔다. 초음파가 세포 내 칼슘 흡수를 매개하는 TRPA1을 자극하면 세포 내 칼슘의 농도가 높아지고, 칼슘에 의해 반응하는 BEST1이 활성화해 별세포로부터 흥분성 신호전달 물질인 글루탐산과 뇌신경인자들이 분비된다. 이후 글루탐산 수용체인 NMDAR과 AMPAR의 활성에 의해 신경세포의 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 내에 더 높은 먹이 회수율과 학습 능력을 보였다. 이는 초음파 자극을 이용한 뇌신경 조절 기술이 뇌의 인지 기능을 향상시키는데 효과적일 수 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, 인지 기능 개선을 위한 연구에 활용될 것으로 기대한다”라고 전했다.

이번 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 2월 24일(한국시간) 게재됐다.

그림 설명

[그림 1] 초음파 실험의 기본적인 패러다임과 동기화된 뇌파 그래프
이번 실험에 사용된 초음파 프로토콜이다. 저자극 저진동수인 5Hz와 30Hz 초음파를 결합하여 2초 자극 후 8초 휴식하는 간헐적 자극(interval TBUS)과 40초 동안 연속적으로 자극을 주는 연속적 자극(continuous TBUS) 패턴을 고안했다. 아래 그림은 자극을 주는 동안의 서로 다른 두 종류의 뇌파인 세타파와 감마파 간의 위상-진폭 변화(Phase-amplitude coupling)를 통한 뇌파 변화를 나타낸 그래프이다.

[그림 2] 초음파 자극에 의한 신경조절 기전
초음파 자극을 가한 뒤 나타나는 신경조절 기전의 모식도이다. 저강도 뇌파 유사 패턴의 초음파 자극은 별세포에 있는 TRPA1을 연쇄적으로 자극하여 BEST1 의존적 신경전달 물질 분비를 통하여 인접한 신경세포들을 자극함으로써 신경세포에서의 신경 가소성을 유발한다. 이를 통해 자극 패턴 의존적 기억 및 학습과 관련된 인지 기능의 변화 및 행동적 양상의 변화가 나타난다.