미국 텍사스 대학교 댈러스 캠퍼스 연구소의 로버트 래나커(Robert Rennaker) 박사는 뇌손상 치료 연구를 진행하면서 이른바 ‘타겟 가소성(targeted plasticity)’을 통해 최첨단 기술과 현대 의학의 접목을 시도하고 있다.
텍사스 대학교 댈러스 캠퍼스 생체공학 분야의 TI 석좌 교수인 래나커 박사에 따르면, 뇌졸중이 발생하면 뇌에 산소 공급이 중단되어 뇌조직이 죽고 극복할 수 없는 심각한 손상이 일어나 뇌가 인지하려 해도 할 수 없게 된다.
래나커 박사 연구팀은 전자약(bioelectronics medicine)을 이용해 투쟁-도피 반응을 유도함으로써 뇌의 인지를 도와주는 연구를 진행하고 있다.
신체의 투쟁-도피 반응은 위험에 직면할 때 작동된다. 심장이 뛰기 시작하고 맥박이 빨라지면서 아드레날린이 분비되어 위기 상황에서 싸우거나 도망가도록 돕는다. 이러한 모든 신체 반응이 일어나면 한 가지가 더 발생한다.
목에 위치한 미주 신경(Vagus nerve)이 반응해 뇌에서 학습과 기억을 강화하는 신경조절물질이라고 하는 작은 메신저를 방출한다. 이러한 신경조절물질의 방출은 투쟁-도피 반응이 거의 즉시 학습되고 절대 잊혀지지 않는 이유를 설명해준다.
이와 같은 생리학적 현상이 래나커 박사의 획기적인 타겟 가소성 연구의 바탕이 되고 있으며, 박사의 연구는 뇌졸중이나 기타 심각한 뇌손상 환자를 도울 수 있는 가능성을 열어준다.
텍사스 대학교 댈러스 캠퍼스의 에릭 존슨(Erik Jonsson) 스쿨 컴퓨터 공학 주임 교수와 텍사스 생체의학 디바이스 센터 디렉터를 역임하고 있는 래나커 박사는 이어 "우리 연구팀이 타겟 가소성을 이용하여 진행하는 연구는 환자에게 겁을 주거나 고통을 유발하지 않으며 전자약을 사용하여 미주 신경을 자극해 동일한 화학물질을 방출함으로써 단일 시행 학습을 통해 빠르게 사물을 학습할 수 있는 뇌의 능력을 구축하는 것"이라고 설명했다.
전체 개념은 미주 신경을 치료와 연관시키는 데 있다. 예를 들어 뇌졸중 환자가 하수족을 앓게 되면 더 이상 발가락을 들 수 없고 끌게 돼 물건에 걸려 넘어질 수 있다. 래나커 박사팀은 환자에게 발가락을 들어보게 한 다음, 발가락에 움직임이 있으면 미주 신경을 자극한다. 시간이 지남에 따라 이러한 미주 신경의 자극과 발가락 움직임의 결합이 뇌에서 근육까지 연결을 강화하고, 그 결과 환자가 발가락을 더 높이 들어올릴 수 있게 된다.
임상 시험이 1년 6개월에서 2년 후에 시작될 예정이며, 이 시험에서 연구팀은 자극 장치로 동작하는 소형 디바이스를 미주 신경에 삽입한 다음, 이 장치를 환자가 착용하는 컨트롤러에 연결하고, 또 다른 소형 센서 디바이스를 환자의 발에 부착한다.
이 센서에는 TI SimpleLink 다중 표준 CC2650 무선 마이크로컨트롤러(MCU)가 탑재됐다. 발가락을 바닥에서 일정한 각도까지 들어올리면 발에 부착된 장치가 TI의 Bluetooth 저전력 소프트웨어 애플리케이션을 통해 스마트폰에 데이터를 전송하여 미주 신경을 자극하도록 컨트롤러에 명령한다.
이러한 자극은 발의 근육을 통제하는 뇌세포를 강화하여 환자가 아무 문제 없이 자신의 발가락을 들어올릴 수 있는 수준까지 발가락을 재활시킨다.
래나커 박사는 “환자가 TI 디바이스와 함께 TI 블루투스 앱을 사용하면 하루 종일 걸으면서 치료할 수 있다”고 하면서 “이제 재활과 관련된 모든 종류의 흥미롭고 새로운 시도를 할 수 있는 완벽한 기술 시스템을 갖추게 되었다”고 말했다.
래나커 박사는 TI CC2650 무선 MCU 및 동반 소프트웨어를 선택한 이유로 낮은 전력 소모와 손쉬운 사용, 그리고 저렴한 비용을 들었다. 이러한 특성을 갖춘 기존의 자극 장치 시스템은 환자당 30,000달러 이상의 비용이 소요되지만, TI 기술로 구현된 이 시스템은 환자당 비용을 1,000-2,000달러까지 낮출 수 있다며, 판도를 바꿔놓을 제품이라는 설명이다.
CC2650 무선 MCU는 초저전력 동작으로, 작은 코인 셀 배터리로 전체 시스템을 장시간 사용할 수 있다. 또한 크기도 작아 이와 같은 웨어러블 기기에 적합하다.
TI 무선 커넥티비티 사업부 제너럴 매니저 아미트 해머(Amit Hammer)는 “이 애플리케이션에 매우 기대가 크다”며 “TI는 최근 도어락, 연기 감지기, 위치 추적 비콘, 스마트 신용 카드와 같은 스마트 커넥티드 디바이스를 개발하도록 고객을 지원해 왔다. 이 애플리케이션은 저전력 무선 기술이 어떻게 삶의 질을 향상시키고 치유하는 데 커다란 영향을 미치는지 보여준다”고 말했다.
이 연구는 의료계의 저명 인사들로부터 주목을 받고 있다. 헌트 바티예르(Hunt Batjer) 박사는 텍사스 대학 사우스웨스턴 메디컬 센터(Southwestern Medical Center)의 신경외과학 교수 겸 학과장으로 있으면서 NFL HNS 위원회(National Football League Head, Neck and Spine Committee) 공동 의장과 미국 신경외과학회(American Association of Neurological Surgeons) 회장을 역임하고 있다.
바티예르 박사는 “의료계는 뇌졸중, 뇌출혈, 뇌손상의 초기 치료에서 우수한 성과를 거두고 있으며, 환자가 위급한 고비를 넘기고 생존할 수 있게 하는 기술을 갖추고 있다”면서 “그러나 손실된 기능을 회복시키는 데에는 미진하다고 할 수 있다. 몇 년 동안 브레인 리모델링의 여러 방면에 많은 관심을 가지고 있었지만, 래나커 박사의 연구는 특히 나의 비상한 관심을 끌었다”고 말했다.
그는 클래식 악기이든 코드 작성이든 어느 특정 분야를 마스터하려면 약 1만 시간의 연습이 필요하다고 설명하면서, 1만 시간 동안 코칭을 받으면서 예행 연습을 반복적으로 수행할 경우 연습하고 있는 부분을 뛰어넘어 실제로 뇌를 리모델링할 수 있다고 한다.
그는 또 래나커 박사의 연구가 타겟 가소성과 표준 뇌 훈련 게임을 결합하고 있어서 1만 시간보다 훨씬 짧은 시간에 고령 환자의 기억력 증진과 같은 작업을 리마스터할 수 있게 도와줄 수 있다고 믿고 있다.
이어 바티예르 박사는 “고령으로 인한 부상이나 특히 뇌졸중 환자의 경우 앞에서 언급한 1만 시간의 여유가 없다는 사실이 우리를 딜레마에 빠지게 한다”면서 “래나커 박사의 쥐를 대상으로 한 재활 실험에서 미주 신경 자극을 받은 쥐는 우리가 1만 시간 연습에서 기대한 것과 정확히 똑같은 성과를 훨씬 짧은 시간 안에 수행할 수 있었다. 이것은 뇌가 근본적으로 복구를 마칠 수 있게 한다. 미주 신경 자극을 이용하지 않는 전통적인 재활 치료에서 동물들은 인간과 마찬가지로 일정한 수준의 회복을 보였지만 이어서 정체기를 겪었다”고 설명했다.
또한 이 연구는 웹사이트의 설명에 따르면 미국 국가 보안을 위한 혁신적 기술에 대한 자금 집행을 수행하는 미국 국방부 국방고등연구국(DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency)의 주목을 받았다. DARPA는 외상 후 스트레스 장애(PTSD, post-traumatic brain disorder)의 각인된 기억을 소거할 수 있는 가능성에 주목해 래나커 박사의 연구에 자금을 지원했다.
가소성은 인간이 학습함에 따라 뇌에서 신경 연결이 강화되는 과정이다. 학습(learning) 또는 탈학습(unlearning)을 촉진하도록 가소성을 작동시키면 특정 환경이나 상황에서 공포나 불안을 학습하게 되는 PTSD와 같은 조건을 다루는 데 새로운 선택을 제공해 줄 수 있을지 모른다. 래나커 박사 연구팀은 트라우마를 연상시키는 단서가 나타날 때 그들이 연구하고 있는 자극이 공포와 불안을 줄여주는 학습된 행동 반응을 향상시킬 수 있는지 알아볼 계획이다.
동일한 연구가 전쟁과 관련된 트라우마 뇌 손상을 갖는 군인에게도 도움이 된다고 말하기에는 아직 이르지만, 래나커 팀은 DARPA 자금 지원을 통해 새로운 길을 모색할 수 있게 될 것이다.
DARPA 자금 지원은 래나커 박사에게 연구 지원비 그 이상을 의미한다. 래나커 박사는 1990년대 미 해병대 소속으로 사막의 폭풍 작전(Operation Desert Storm)과 다른 분쟁 지역에도 참전했다. 그는 동료 군인들이 PTSD와 뇌 손상으로 인해 영구히 회복되지 않는 모습을 직접 목격했으며, 실제로 그러한 경험은 그의 모든 연구의 동기가 되었다.
래나커 박사는 “군인이 뇌 손상으로 인해 팔다리를 마음대로 쓰지 못하거나 휠체어에 의지해야 하는 경우, 처음 12개월의 재활 치료가 끝나면 현대 의학이 그들을 위해 해줄 수 있는 게 별로 없다. 나는 이런 현실을 용납할 수 없다”라고 하면서 “해병대로서 내 인생의 꿈과 목표는 이들이 잃어버린 기능을 회복하도록 돕는 것이다. 나는 우리가 이 꿈을 이룰 수 있는 방법을 발견했다고 생각한다”라고 밝혔다.
