GIST( 광주과학기술원 ) 보도자료 http://www.gist.ac.kr 보도일시배포즉시보도부탁드립니다. 보도자료담당 대외협력팀김미연팀장 062-715-2020 / 010-5302-3620 대외협력팀이나영행정원 062-715-2024 / 010-2008-2809 자료문의전기전자컴퓨터공학부전성찬교수 062-715-2216 뇌기능향상을위한전기자극의 전류분포와세포간의상호관계규명 - 신경세포의활성화반응예측 뇌전기자극기법의예측정확도를높임으로써뇌기능향상및뇌질환치료개선에기여할것으로기대 - GIST 전성찬교수연구팀, 뇌연구분야상위저널 <Brain Stimulation> 에논문게재 GIST( 지스트, 총장직무대행허호길 ) 전기전자컴퓨터공학부전성찬교수연구팀이뇌기능향상및뇌질환치료에널리사용되는전기자극의영향력을예측하는정확도높은컴퓨터기반시뮬레이션가이드라인을제시했다. 연구팀은기억력또는학습능력증진과같은뇌기능향상과뇌졸중, 파킨슨병, 우울증등의뇌질환치료법으로주목받고있는 뇌전기자극 기법들중비침습적뇌전기자극 (Non-invasive brain stimulation) 이미치는영향을거시적레벨과미세레벨에서예측하고상호관계를규명했다. 뇌전기자극법은기억력, 창의력, 연산능력향상부터우울증, 간질, 조현병, 치매의증상개선등뇌기능과관련된여러영역에응용되고있다. 그러나높은활용성에도불구하고뇌의어느영역이자극되는지, 해당영역의신경세포가어떤반응을보이는지에대해아직밝혀지지않은상태이다. 따라서개개인별일관되지않은효과가보고되고있으며, 정확한가이드라인없이시행되고있는실정이다. 전기자극의효과를예측하기위한뉴로네비게이션시스템이가장활발히사용되고있다. 대다수연구팀은전기자극이미치는영향을예측하기위해자기공명영상 (magnetic resonance imaging; MRI) 을이용해뇌의구조적특징을복원하고두피에전극을부착한뇌정교컴퓨팅모델을구현해외부전기자 - 1 -
극에의해유도되는전류분포를통해전기자극의효과를예측해왔다. 최근전기자극의효과를더욱정밀히예측하기위해신경세포모델을뇌컴퓨팅모델과결합하여자극에의한활성화정도를시뮬레이션하는멀티스케일모델링기법이제안되었다. 하지만해부학적으로정교한뇌모델의구조가복잡해신경세포모델과의결합이간단하지않아복잡한처리과정과상당계산시간을요구하기때문에일부연구팀에서만결과를보고하고있는실정이다. 전성찬교수연구팀은비침습적전기자극을위한멀티스케일모델링을구축하여전기자극이미치는영향을거시적단계분석에해당하는전류분포뿐만아니라미세단계분석인신경세포활성화반응에대해연구하고상호관계를규명하였다. 본연구를위해세가지형태의신경세포모델 ( 별모양또는피라미드모양 ) 을이용해유도전류가흐르는방향에따라신경세포활성에미치는영향을시뮬레이션하였다. 그결과, 신경세포의활성화반응을일으키지않고막전위값을변화시키는역치아래의자극에대해서전류분포와신경세포의반응간의피어슨상관계수가 0.8 이상으로높은상호관계를보였다. 또한역치이상의자극의경우복잡한신경세포활성화반응패턴을보임으로서멀티스케일모델링을통한예측이중요함을확인하였다. 전성찬교수는 이번연구는컴퓨터기반뇌자극의영향을세포단위에서규명함으로서뇌의기능을이해하고증진하는데기여할것 이라며 인구고령화에따른뇌관련질환치료를돕는전기자극뉴로네비게이션시스템의가이드라인을제시해치료효과를높일뿐만아니라다양한뇌기능향상을위해응용될수있을것으로기대된다 고말했다. GIST 전기전자컴퓨터공학부전성찬교수 ( 교신저자 ) 가주도하고, 서현연구원 ( 제 1저자 ) 이참여한이번연구는 GIST 창조적도전과제와, 한국연구재단 (NRF) 의개인연구자지원사업, 교육부의개인기초연구지원사업, 정보통신기술진흥센터 (IITP) 의지원을받아수행되었으며, 연구성과는신경조절저명학술지 ((IF 6.12, JCR 랭크상위 9%) 인 Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation 에 2019년 1월 22일자로게재되었다. < 끝 > - 2 -
논문의주요내용 1. 논문명, 저자정보 - 저널명 : Brain Stimulation - 논문명 : Relation between the electric field and activation of cortical neurons in transcranial electrical stimulation( 경두개전기자극에따른전류분포와신경세포활성화반응간의상호관계규명 ) - 저자정보 : Hyeon Seo( 제1저자, GIST), and Sung Chan Jun( 교신저자, GIST) 용어설명 1. 비침습적뇌전기자극 (Non-invasive brain stimulation) 뇌졸중과같은뇌질환의회복또는뇌의특정기능향상을돕기위해수술없이외부전기자극을뇌의특정영역에전달하는방식으로, 코일을머리위에위치시켜자기장을전달하는경두개자기자극법 (transcranial magnetic stimulation) 과두피에전극을부착시켜전류를흘려보내는경두개직류자극법 (transcranial direct current stimulation) 등이있다. 뇌에전달된전류는대뇌피질의신경세포들을활성을변화시켜, 최근자극을통해참가자들이더정직해지거나기억력을높이는등다양한뇌기능조절을위해연구되고있다. 2. 뉴로네비게이션시스템 비침습적뇌전기자극이자극기 ( 코일또는전극 ) 의위치에따라환자두뇌에전류가어떻게퍼질것인가를예측하는소프트웨어다. 실시간자극기의위치에따라전류가집중될뇌영역을계산하기위해구로이루어진뇌컴퓨팅모델이주로사용되고있다. 3. 멀티스케일모델링 전기자극이뇌에미치는영향을파악하기위해뇌컴퓨팅모델이사용되고있다. - 3 -
간단한구모형으로이루어진뇌모델과자기공명영상 (MRI) 으로부터해부학적정보를반영한정교뇌모델이있다. 이런뇌모델을사용해외부전기자극에의해뇌에유도되는전류분포를계산하고가시화하는뉴로네비게이션시스템이연구되고있다. 하지만이는뇌의신경세포의반응을간접적으로유추하는방식으로정교한예측을위해, 뇌컴퓨팅모델과신경세포모델이결합되어외부자극에의해유도되는전류분포 ( 거시적분석 ) 와신경세포활성반응 ( 미세분석 ) 을동시에시뮬레이션하는모델링기법이최근제안되었다. 그림설명 [ 그림 1] MRI에서획득한해부학적정보가반영된뇌정교컴퓨팅모델 ( 가 ) 을활용해전극의타입과위치에따른자극유도전류분포도 ( 나 ) 를가시화하였다. 자극에의해유도된전류의세기가클수록 ( 나 ; 전류분포도의빨간색의영역 ) 해당영역에위치한신경세포가활성화되었음을예측할수있다. - 4 -
[ 그림 2] 다른형태를가진세가지신경세포 ( 별세포, 뇌피질 3층에위치한피라미드세포, 그리고 5층에위치한피라미드세포 ) 와외부전기자극에의해유도되어흐르는전류방향을도식화하였다. [ 그림 3] 전극의타입과위치에따른 3층피라미드세포의활성화반응을가시화하였다. 유도전류분포도와유사하게패드타입전극은넓은영역에, 디스크타입전극은제한된뇌영역에자극이집중되는것을확인하였다. 또한신경세포의모양에관계없이유사한활성화패턴을보였다. - 5 -