뇌파 검사, 마비 환자를 다시 움직이게 하는 열쇠 될까

뇌파 검사를 통해 마비 환자가 운동 능력을 회복할 수 있는 방법을 찾아낼 수 있을지 관심이 집중되고 있다.

척수 손상을 당해 신체가 마비된 후에도 뇌는 여전히 신체를 움직이려는 신호를 내보낸다. 전문가들은 이러한 신호를 포착해내기 위해 치열하게 연구 중이다.

척수를 크게 다치면 팔이나 다리 운동의 능력을 상실하는 비극이 벌어지기도 한다. 그런데 이때 종종 사지의 신경은 건강하게 살아있고 뇌도 정상적으로 기능하는 경우가 있다. 운동 능력 상실은 척수 손상으로 인해 뇌와 신체 사이를 오가는 신호가 차단되기 때문이다.

연구진은 이러한 단절로 인해 척수 자체를 복구하지 않고도 뇌와 신체 사이의 소통을 회복할 방법을 모색해왔다.

비삽입형 뇌파 검사를 통한 안전한 소통 회복

미국물리학회가 발행하는 ‘응용물리학보 생물공학'(APL Bioengineering) 게재된 이번 연구에서 이탈리아와 스위스 대학의 과학자들은 뇌파 검사(EEG)가 뇌와 신체 사이의 소통을 자극할 수 있는지 조사했다. 연구진은 뇌파가 운동과 관련된 뇌 신호를 포착하고 이를 신체와 재연결할 수 있는지 면밀히 분석했다.

마비된 사지를 움직이려 할 때 뇌는 여전히 해당 동작과 연관된 전기 신호를 생성한다. 이러한 신호를 감지하고 해석할 수 있다면, 해당 신체 부위의 운동을 담당하는 신경을 활성화하는 척수 자극기로 전송될 수 있다.

기존 연구 방식은 수술로 이식된 전극에 의존하면서 운동 신호를 기록했다. 이러한 방법이 긍정적인 결과를 보였음에도 연구팀은 더 안전한 방법을 찾기 시작했고, 뇌파 검사가 좋은 대안이 될 수 있는지 검토했다.

뇌파 검사는 전극이 부착된 캡을 착용하여 두피에서의 뇌 활동을 기록하는 방식으로 진행된다. 이러한 연구 환경을 세팅하는 데까지 다소 복잡한 과정을 거쳐야 하나, 연구진은 뇌파 검사가 뇌나 척수 내부에 실험 장치를 삽입할 때 발생할 수 있는 위험을 피할 수 있다고 설명한다. 실험 장치 삽입 시 감염을 유발할 가능성이 있으며, 이 경우 또 다른 수술 절차를 거쳐야 하기 때문이다.

정밀한 신호 포착을 위한 기계 학습 알고리즘의 도입

뇌파 검사를 활용해 운동하고자 하는 의도를 감지하려는 노력은 끊임없이 시도되고 있다. 다만 뇌파 검사 시 전극은 머리 표면에 부착되어 있기 때문에 뇌 깊숙한 곳에서 발생하는 신호를 포착하는 게 용이하지 않다.

상체에 해당하는 팔과 손 동작을 감지할 때는 이게 큰 문제가 되지 않는다. 반면 하체인 다리와 발을 제어하는 뇌 신호는 뇌의 중심부 깊은 영역에서 발생하기 때문에 감지하기가 훨씬 더 어렵다.

연구진은 뇌파 검사의 데이터 분석 능력을 향상하기 위해 소규모의 복잡한 데이터 분석을 처리하도록 설계된 기계 학습 알고리즘을 활용했다. 테스트에서 환자들은 뇌파 검사용 캡을 착용한 채 일련의 간단한 운동 동작을 시도했다. 연구팀은 이로 인해 발생한 뇌 활동을 기록하고, 감지된 신호를 종류 별로 분류하도록 알고리즘을 훈련시켰다.

뇌파 검사는 환자가 움직이려고 시도하는 순간과 정적인 순간을 대체로 구분할 수 있었다. 하지만 서로 다른 동작 시도를 구분하는 데는 어려움을 겪었다.

뇌파 검사의 기술적 한계와 마비 환자 치료의 미래

연구진은 향후 뇌파 검사 기술의 발전을 통해 이러한 문제점을 얼마든지 극복할 수 있다고 설명한다. 앞으로 알고리즘을 훨씬 더 정교하게 적용하여 서기, 걷기, 오르기와 같은 특정 동작을 포착할 수 있도록 할 계획이다. 또한 이런 식으로 감지해내는 뇌 신호가 척수 손상을 입은 환자의 이식형 척수 자극기를 어떻게 활성화할 수 있을지 분석할 예정이다.

만일 이 연구가 성공한다면, 이는 비삽입형 뇌 스캐닝이 마비 환자의 신체 운동을 회복하는 데 의미 있는 기여를 할 것으로 기대를 모으고 있다.

성치훈 기자/ hello@sciencewave.kr

출처: ScienceDaily, “Brainwaves could help paralyzed patients regain movement”