...[김래현/KIST 바이오닉스연구단 박사 : 로봇이 잘못된 행동을 하면 뇌파가 좀 다른 반응을 내거든요. 그것을 잡아내서 로봇에게 알려주는 거죠. 너(로봇)가 '실수하고 있다'라는 것을 가르쳐줄 수 있는 거죠.]...

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최지현 치매 DTC 융합연구단 박사, 저비용 웨어러블 디바이스로 치매 검출연구

"매우 극적인 치매···원인 밝혀 치료법 발굴할 것"


"값싼 웨어러블 디바이스로 치매진단이 가능하다면 그건 사회적으로 임팩트 있는 일이라고 생각합니다. 본인도 자각을 못하는 뇌신경회로의 이상을 웨어러블 디바이스로 검출해 내 치매를 조기 진단하는 것. 그것이 우리의 연구 목표입니다."

 

고령화 사회가 빠르게 진행되면서 치매환자도 계속 늘고 있다. 보건복지부에 따르면 지난해 치매환자는 68만 명으로 2024년에는 100만 명, 2050년에는 200만 명을 넘어설 것으로 예측되고 있다. 치매환자는 환자 본인뿐 아니라 주변 가족들의 심리적 고통과 치료비 부담 등 한 가정을 무너뜨릴 수 있는 사회적 질환이다. 개인과 국가적인 관리가 필요하다.

 

과학기술계도 치매와의 전쟁을 선포하고 다양한 연구를 진행 중인 가운데, 그 중 독특한 방식으로 주목받는 연구단이 있다. 치매 DTC 융합연구단이다. 이 연구단은 KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)를 주축으로 한국과학기술정보연구원, 한국한의학연구원, 한국생명공학연구원 등 총 4개 정부출연연구기관과 삼성의료원, 서울대병원, 분당서울대병원과 연계하는 전문 인프라를 구축하고 있다. 치매를 치료하기 위해 각 분야 어벤저스가 모인 것이다.

 

치매 DTC 융합연구단에 가보니 KIST에 마련된 연구실에서 초파리와 마우스, 제브라피시 등을 통해 치매의 원인과 치료법을 연구 중이었다. 치매 치료에서 조기진단이 중요한 만큼 저렴한 진료비로 치매 진단이 가능한 웨어러블 디바이스 기반으로 치매 진단시스템을 개발하고 있다.

 

연구단의 최지현 박사는 "치매는 뇌과학적으로 봤을 때 백화점 같은 질환으로 조기진단이 중요하지만, 우리나라 노인 빈곤율은 매우 높은 편이다. 많은 환자가 저렴하게 치매를 조기 진단할 수 있도록 연구 중"이라며 "우리는 기존 신경심리검사와 본인이 자각하기 어려운 뇌신경회로의 이상을 웨어러블 디바이스 검출하는 연구를 하고 있다. 치매 조기 진단은 환자 본인에게도, 사회적으로도 꼭 필요한 일"이라고 설명했다.


느린 주파수와 빠른 주파수의 진폭변화를 그린 뇌파 맵

어레이 전극으로 측정한 실험용 쥐의 뇌 영역


렘수면 비밀 최초로 밝히다···치매 치료 실마리

 

최지현 박사는 뇌파연구를 통해 뇌의 비밀을 밝히고 치매의 원인과 치료법을 연구 중이다. 그는 의식에서 무의식으로 전환될 때 일어나는 임계전이현상을 규명하고, 인간과 같은 수준으로 마우스 뇌파를 측정하는 기술을 개발한 바 있다. 최근에는 렘수면 동안 벌어지는 뇌파를 분석해 향후 치매를 비롯한 특정 질병과 수면질환간 연관성을 연구하는 실마리를 찾았다.

 

렘수면은 수면단계의 일종으로 총 수면시간 중 상대적으로 적은 비중을 차지하지만 깨어있을 때와 비슷한 패턴의 뇌파가 관찰된다. 그러나 범위하게 벌어지는 뇌 활동을 동시에 측정하는 것이 어려워 렘수면의 기능이 무엇인지는 잘 알려지지 않았다.

 

수면시간동안 아주 잠시 나타나는 렘수면이지만 최지현 박사팀은 수면결핍과 렘수면의 영향에 주목하고 마우스 실험에 자체 제작한 뇌파맵 고해상도 측정기술을 도입했다. 이를 통해 렘수면 여러 뇌파를 동시에 감지하는 데 성공, 세계 최초로 렘수면의 숨겨진 구조를 규명했다.

 

실험 과정은 다음과 같다.

마우스 뇌 자체에 뇌파맵 고해상도 측정기를 설치 → 쳇바퀴를 활용해 마우스 수면부족 유도 → 하루 중 특정 시간 동안만 휴식 케이지로 옮겨 마우스가 잠이 들면 뇌파를 측정 → 5일 동안 반복.


어레이형 전극을 삽입한 실험 쥐



 

여기서 연구진은 렘수면이 신경세포의 회복과 기억 형성에 동시에 기여함과, 수면 중 비정상적으로 증대된 신경활동이 다음 날 기억 형성과정에 혼선을 줄 수 있음을 발견했다. 이는 만성 수면 결핍의 폐해를 예측하는 것으로 이해할 수 있다.

 

최 박사는 "렘수면의 비밀이 치매와 연관성이 있을 것"이라고 예상했다. 그는 "이번 연구에서 주되게 보고 있는 것이 렘수면 중 나타난 서파다. 이 서파는 비렘수면 서파와 나타나는 시점 및 특성이 매우 다르고 대표 뇌파인 쎄터파와 배타적으로 나타난다"며 "이 렘수면 서파가 발생하는데 ▲전전두엽과 해마를 연결하는 특정 뇌영역이 관여한다는 가설 ▲이 영역이 해마에서의 정보를 전전두엽으로 저장시키는 데 있어서 주요 역할을 한다는 가설을 가지고 있다. 이 부분은 너무나 작아서 뇌영상으로는 안 보였을 것이다. 이 영역의 신경수축과 치매환자의 증상과 관련성을 밝힌다면 새로운 관점에서 문제접근이 가능할 것"이라고 말했다.

 

불안했던 뇌파전극 실험, 10% 성공에서 90%까지

 

"개발한 뇌파전극이 불안해 마우스를 수술하기가 쉽지 않았습니다. 그런데 함께 연구했던 학생들이 수술 확률을 획기적으로 늘려 가장 긴 실험을 할 수 있었어요. 졸업 전 또 한 번 큰일을 할 것 같은 친구들이에요.(웃음)"

 

탐침은 뇌의 신경회로 활동을 측정하기 위해 중요한 역할을 하는 기술이다. 관찰하고자 하는 신경회로에 침을 꽂는 형식으로, 뇌를 연구하는 많은 연구진은 다양한 탐침개발을 활용해 뇌의 신비를 밝히고 있다.

최 박사팀도 탐침기술을 활용하지만 이번 연구에서는 자체 개발한 필름 타입의 전극으로 뇌파맵을 분석했다. 두개골 위에 씌어 분석하는 방법이다.

 

그에 따르면 필름타입은 사람의 뇌파와 같은 수준의 뇌파를 마우스 뇌에서 획득해서 종간 비교 분석이 가능하다는 장점이 있다. 특히 자유롭게 활동하는 뇌로부터 특정 활동을 했을 때의 뇌파를 측정할 수 있다. 특정행동과 뇌파간의 상관관계를 직접 밝힐 수 있다.

 

또 사람에게 적용하는 신경심리 임상평가를 마우스에도 적용해 뇌영상을 획득함으로써 환자와 질병마우스 간 일대일 비교를 통해 질병의 원인을 신경회로적 차원에서 밝힐 수 있다.


렘수면 비밀을 세계 처음으로 밝힌 최지현 박사팀


렘수면 비밀 논문 주저자인 김보원 학생과 최지현 박사가 마우스 뇌 촬영 영상을 보며 토론하고 있다.


그는 "가령 진앙지를 찾기 위해 여러 도시에 지진센서를 달아서 관찰하는 것이 뇌파맵이라고 한다면 특정 영역에 센서를 박아서 지질활동을 관찰하는 것이 탐침"이라며 "탐침이 국소적 영역을 보는 도구라면 필름타입은 탐침 대비 넓은 영역을 볼 수 있는 장점이 있다"고 설명했다.

그는 이어 "뇌는 다른 회로들이 유기적으로 협업해서 인지와 행동이라는 결과를 만들어내는 것이므로 어느 측정방식이 더 중요하다고 생각하지는 않다"라면서도 "그러나 뇌가 복잡한 만큼 멀티스케일로 측정하기 위한 방법은 중요한 연구 중 하나"라고 강조했다.


이 같은 장점에도 해결해야 할 문제가 있다. 자체 개발한 필름 타입의 전극 기술이 불안정해 수술 중 마우스들이 죽거나 오랜 기간 실험을 지속할 수 없었던 것. 그러나 이번 연구의 주저자인 김보원 학생이 제대로 실력을 발휘했다. 10%밖에 안됐던 수술성공률을 90%까지 끌어올리고, 10일 가까운 실험에도 성공했다.


그는 "몇 시간 실험하고 기록 하는 것이 아닌 무려 열흘 가까운 기간 동안 연구내용을 기록하는 유례없는 일이었다"며 "보원 학생과 김동욱 학생, 하버드의대에서 파견 나오신 김영수 박사님 등 많은 연구자들이 함께 노력해 가능했던 일이다. 보원 학생은 현재 박사 2년차로 우리 연구실에서 핵심멤버로 있다. 앞으로 정말 기대되는 친구"라고 감사함을 전했다.


실험실 모습



 "뇌파가 뭐죠?" 미숙했던 첫 연구, 그리고 사비로 구입한 램프

 

KIST에서 오랜 시간 뇌의 신비를 밝히는 연구를 활발하게 하고 있는 최 박사지만 그에게도 뇌파가 뭔지 노이즈가 뭔지 구분이 어려웠던 시절이 있었다.

 

이론물리를 하다 1999년부터 근적외선을 사람의 뇌신호를 측정하는 연구를 처음 하던 그는 뇌를 밖에서 보는 것에 한계를 느끼고 사비를 털어 앰프를 구입해 뇌파를 측정하기 시작했다. 인터넷에서 구입한 앰프는 최 박사가 태어난 제작년도가 새겨진 것이었다.

 

호기롭게 램프를 구입한 것은 좋았으나 마우스 실험이 처음이었던 그는 뇌파가 무엇이고 노이즈가 무엇인지 구분이 되지 않았다. 궁여지책으로 내놓은 방법이 마우스에 마취약을 점진적으로 넣어 궁극으로는 치사량까지 주입하며 뇌파를 관찰하는 방법이었다.

 

"죽음에 가까이 간 마우스의 뇌파는 전혀 다른 모습이었다. 코마의 뇌파가 발생하지만 이 뇌파는 금방 사라지지 않았다. 바이털 사인이 사라지듯 없어지려다 가도 어느 순간 발화하는 신호가 나왔다. 이것을 보며 '삶과 죽음의 경계가 있는 것인가'라는 생각이 들었다. 누워있는 마우스에게 고마움과 미안함과 심지어 경건함까지 느꼈다."


연구단은 마우스 외에도 치매의 원인과 치료법을 연구개발하기 위해 제브라피쉬, 초파리 등에게 도움을 받고 있다.

 

창문도 없는 밀폐된 공간에서 뇌파가 완전히 사라진 모습을 본 그는 실험이 끝나고 집으로 돌아가는 새벽길 정말 많은 생각이 들었다. 생명의 존귀함에 크고작음은 없기에 실험동물들에 고마움과 감사함은 연구생활 십여년이 흐른 지금도 잊지않고 있다.

 

앞으로 그는 "보편적 진리를 찾기 위한 연구를 계속하겠다"고 밝혔다. 물 분자를 이해하기위해 물 상태에서 수증기 상태로 상태전이시키는 것처럼, 현상임계전이 현상을 규명한 것도, 렘수면의 비밀을 박힌 것도 모두 뇌를 이해하기 위한, 뇌의 보편적 진리를 위한 방법 중 하나라는 것.

 

그는 "모든 자연스러운 뇌는 인위적으로 조작하지 않더라도 동적인 특성이 있다. 그러나 치매는 매우 극적이다"라며 "왜 그런지를 연구할 것이다. 이를 위해 전뇌기저엽이라는 영역을 보고 있는데 이 영역이 가지는 각성과 비각성을 스위치하는 그 야누스적인 특성이 실마리라고 생각한다. 원인이 밝혀지면 치매 치료법도 발굴할 수 있다고 생각한다"고 말했다.


"값싼 웨어러블 디바이스로 치매진단이 가능하다면 그건 사회적으로 임팩트 있는 일이라고 생각합니다. 본인도 자각을 못하는 뇌신경회로의 이상을 웨어러블 디바이스로 검출해 내 치매를 조기 진단하는 것. 그것이 우리의 연구 목표입니다."








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세계 최초로 실험용 쥐의 수면 중 뇌파 맵을 고해상도로 측정
수면이 부족한 상태의 렘(REM) 수면 시 뇌파에 미치는 영향 규명

 

인간은 평생의 1/3을 수면으로 보내지만, 왜 잠을 자는 지, 자는 동안 우리의 뇌에서는 어떤 일들이 일어나는 지에 대해서는 아직 명확히 밝혀진 바가 없다. 특히 새벽에 주로 일어나는 렘수면동안의 뇌는 깨어있을 때의 뇌처럼 활발하게 두뇌활동이 벌어지지만, 그 기능이 무엇인지에 대해서는 많은 연구가 이루어지지 못했다. 최근 국내 연구진이 세계최초로 개발한 실험용 쥐의 고해상도 뇌파맵을 이용해서 미지의 영역인 렘수면의 비밀을 한 꺼풀 벗겼다.
*렘(REM, Rapid Eye Movement) 수면 : 수면의 두 단계인 비렘수면 (non-REM 수면)과 렘수면 중 하나로,  안구의 빠른 운동으로 구분됨.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 치매DTC융합연구단 최지현 박사연구팀은 보통 수면에서는 관찰하기 어려운 뇌파를 인위적으로 조성된 만성수면부족 상태로부터 유도하는 방식으로 그동안 알려지지 않은 렘수면의 구조를 찾아냈다.

 

렘수면은 수면의 후반기에 나타나는 흥미로운 수면 단계로, 깨어있을 때와 비슷한 패턴의 뇌파가 관찰된다. 하지만, 총 수면시간 중 상대적으로 적은 비중을 차지하고, 광범위하게 벌어지는 뇌 활동을 동시에 측정하는 것이 어려워 렘수면의 기능이 무엇인지는 잘 알려지지 않았다. 최지현 박사팀은 렘수면의 기능을 규명하기 위해 뇌파를 활용했다. 일반적으로 특정한 뇌파마다 그 역할이 알려져 있다. 대표적으로, 수면 중 나타나는 크고 느린 뇌파는 뇌세포의 피로를 줄여주는 반면, 간헐적으로 작고 빠르게 나타나는 뇌파는 기억 형성 등의 뇌 활동을 반영하는 것으로 알려졌다. 최지현 박사팀은 기능이 다른 뇌파를 동시에 감지하는 데 성공하였다. 이를 통해, 뇌의 전반적인 휴식이 증가함을 반영하는 느린 뇌파는 수면결핍 초기에 반응을 보이고 더 이상 변화가 없는 반면, 기억 형성을 담당하는 빠른 뇌파는 수면 박탈 기간 동안 지속적으로 반응을 보임 관찰하였다. 이는 렘수면이 신경세포의 회복과 기억 형성에 동시에 기여함을 의미한다. 이 외에도 연구팀은 렘수면 중 전두엽과 해마 간 신경회로가 있고, 수면박탈 기간 동안 이 회로의 신경활동이 점진적으로 증가하는 패턴을 관찰하였다. 수면 중 비정상적으로 증대된 신경활동이 다음 날 기억 형성과정에 혼선을 줄 수 있는 바, 이는 만성 수면 결핍의 폐해를 예측하는 것으로 이해할 수 있다.

KIST 최지현 박사는 “본 연구는 약물이나 유전자 변형 없이도 KIST에서 자체 개발한 고해상도 뇌파 맵을 이용해 얻은 결과로, 향후 치매를 비롯한 특정 질병과 수면 질환간의 연관성을 연구하는 데 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 

본 연구는 국가과학기술연구회(NST, 이사장 이상천)가 주관하는 치매DTC융합연구단 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 세계적인 과학 학술지 ‘미국 국립과학원 회보’(PNAS, Proceedings of National Academy of Sciences)에 2월 28일(화)자 최신호(vol.114 no.9)에 게재되었다.

* (논문명) Differential modulation of global and local neural oscillations in REM sleep by homeostatic sleep regulation
            - (제1저자) 한국과학기술연구원 김보원 학생연구원
            - (교신저자) 한국과학기술연구원 최지현 책임연구원

 

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