스탠포드대학, 뇌에 초음파 사용 원숭이 반응 연구...이후 우울증 등 뇌장애에 적용 - 퓨처타임즈

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[퓨처타임즈=송말수 기자] 과학자들이 뇌에 초음파를 사용하여 원숭이의 의사결정에 영향을 미친다. 초음파는 행동에 영향을 미치는 지점까지 강력한 효과를 낼 수 있다. 그리고 행동의 변화는 우리가 궁극적으로 관심을 갖는 것이다.

이 팀은 현재 인간이 사용할 수 있는 프로토 타입 장치를 구축하고 있으며, 첫 번째 목표는 3년 만에 우울증에 걸린 사람들을 돕기 위해 사용하는 것이다. 이들의 연구는 인간의 뇌 기능에 대한 미래의 체계적인 연구로 나아가고 뇌 장애의 개인화된 치료를 목표로 삼을 수 있는 길을 열 수 있었다.

몇 년 전 스탠포드대학교(Stanford University)의 깜깜한 방에서 원숭이는 주문제작 의자에 조용히 앉아 어리둥절했다. 그것은 머리를 완전히 고정시킨 헤드 브레이스 때문이 아니다. 그의 얼굴에 밝은 빛을 발산하는 것은 LCD 스크린은 아니었다. 화면에 무작위로 나타나는 추상 모양조차도 아니었다.

그는 시선으로 현명하게 고르면 맛있고 달콤한 주스를 한 모금 마실 것임을 알았다. 그를 당황하게 한 것은 때때로 그는 올바른 결정을 내릴 수 없다는 것이다. 그는 잘못된 목표를 보고, 그것이 잘못되었다는 것을 알고 있었지만 여전히 꼭두각시처럼 쳐다본다. 마치 누군가가 자신의 두뇌를 가지고 노는 것처럼 보였다.

이 경우 원숭이가 옳았다. 한 과학자 팀이 두개골을 통해 뇌의 정면으로 감지할 수 없는 초음파를 고동치고 그가 본 물체를 암묵적으로 제어했다. 원숭이는 더 이상 선택을 할 수 없었다.

붉은 털 마카스 원숭이로 가능하다면, 다음에는 우리가 할 수 있을까?

마인드 컨트롤은 공상과학 및 음모론자들을 위한 이야기이다. 확실하게 아니, 당신은 당신에게 조용한 음파로 당신의 결정을 통제하는 사악한 과학자는 없을 것이다. 이 연구에서 이 팀은 전두부(FEF)라고 불리는 뇌의 일부에 초점을 맞추었다. 인생을 바꾸는 결정을 통제하기 보다는 원숭이의 생물학적 '카메라'를 바퀴에 여분의 한 쌍의 손처럼 다른 대상이 아닌 한 대상을 향해 조종하는 것으로 생각하면 된다.

그러나 그 이야기는 조금 까다롭다. 초음파 펄스가 원숭이의 내부 의사결정 과정을 무시할 수 있었기 때문에 눈에 띈다. 그에게 주스를 줄 수 있는 것(보상)을 보지 않고 이제 그 보상에서 멀어지고 있다.

불길한 토대는 제쳐 두고, 병리적 도박이나 약물중독과 같은 강박장애로 고생하는 사람들에게는 근본적으로 보상을 추구하는 나쁜 선택으로 귀결된다. 스스로를 멈출 수 없다면 외부의 도움을 받아야 한다. 초음파 펄스로 우리는 언젠가 “약을 사용하지 않고 선택 행동에 비 침습적 영향을 줄 수 있었다. 선택 장애를 진단하고 치료할 수 있는 새로운 방법을 제공한다."라고 저자는 Science Advances에 발표한 연구 기고했다.

소리 치료

초음파는 신경조절 세계에서 괴짜이다. 경두개 직류자극(tDSC) 또는 경두개 자기자극(TMS)과 같이 잘 알려진 형제와 유사하게 초음파는 뉴런의 발사 방식을 변경하여 결과적으로 학습출력, 기억 및 기타 행동으로 관찰되는 계산 출력을 변경한다.

신경조절이라고 불리는 이 아이디어는 항우울제에 반응하지 않는 우울증을 가진 사람들이나 운동 패턴이 심각하게 흐트러지는 파킨슨 병을 앓고 있는 사람들을 치료하는 데 있어 거의 '마법적인' 효능으로 인해 신경계 세계를 휩쓸었다.

뇌를 자극하는 가제트가 뇌에 외과적으로 이식되는 1세대 신경조절에 비해 초음파는 외부에서 신경 발사를 '해킹'하는 방법을 제공한다. 어떤 방식으로 이 기술은 음파를 사용하여 회로의 뉴런을 순서대로 다시 흔들어 필요에 따라 동기화되어 학습, 사고, 기억 및 의사결정과 같은 후속출력을 제어한다.

"이러한 방식으로, 뉴런의 활동과 자극된 뉴런과 그 이웃 간의 연결성을 변경할 수 있다. 이로 인해 오작동하는 신경회로를 정상 상태로 되돌릴 수 있다."라고 연구 저자인 Jan Kubanek 박사는 말했다.

초음파의 딸꾹질은 약간의 병력이 있다는 것이다. 그것은 때때로 약물이 뇌에 흘러 들어가 손상을 입히도록 하기 위해 혈액 뇌 장벽을 열어 혈액의 독소로부터 뇌를 보호하는 데 사용되었다. 음파를 목표 부위로 향하게 하는 집속 초음파는 또한 뇌 종양을 외과적으로 제거하는 데 뿌리를 두고 있으며, 이는 기본적으로 고강도 음파 에너지로 종양 조직을 사멸시키는 것을 의미한다.

차세대 초음파 신경조절은 크게 다르다. 음파는 종양 발파 효과보다 훨씬 낮으며 일반적으로 귀한 뇌 세포를 안전하게 유지한다. 음파는 흥분성을 변화시키는 방식으로 뉴런 막을 기계적으로 자극한다. 취향에 따라 80년대의 오래된 음악을 듣고 소파 웅덩이로 녹아 들거나 마라톤으로 뛰어 드는 것과 비슷하다.

원숭이 비즈니스

과학자들은 뇌가 깊숙이 침투할 수 있다는 사실을 발견한 이후 초음파는 신경조절 세계의 상상력을 사로잡았다. 불행히도 문제는, 특히 큰 포유동물의 뇌 활동이 뇌 활동에 얼마나 영향을 미치는지 확신할 수 없다는 것이다. 예를 들어, 뉴런 발사 패턴만 변경하지만 관찰 가능한 출력은 없을까? 실제로 사람의 실제 행동을 바꾸는 데 초음파를 사용할 수 있을까?

그것이 팀이 결정한 질문이다.

그들은 뇌졸중을 앓고 있는 사람들이 시각적 뇌 기능을 평가하기 위해 자주 사용하는 테스트에서 두 마리의 원숭이를 훈련시켰다. 원숭이들은 컴퓨터 화면에서 그 자리에 집중하는 법을 배웠다.

그런 다음 팀은 두 개의 추상 모양을 왼쪽과 오른쪽에 하나씩 차례로 번쩍였다. 첫 번째 원숭이는 '조지'라고 부른다. 어떤 모양을 보든 관계없이 주스 한 모금을 받았다. 그러나 지각의 어려움 때문에 조지는 화면에 나타나는 물체를 먼저보고 싶어했다.

두 번째 원숭이 '프랭크'라고 부르며 첫 번째 대상 물체를 볼 때 주스 한 모금만 받았다. 이런 식으로, 주어진 보상은 음식, 섹스, 약물 또는 알코올과 유사한 원숭이의 선천적 선호와 조정되었다.

그런 다음 초음파가 왔다.

훈련 후 두 원숭이 모두 이 팀은 음파를 전달하는 데 도움이 되는 젤 같은 물질로 만들어진 원뿔을 때렸다. 그들은 시각인식 시스템의 일부인 머리 앞 주위의 정면 안구 영역을 목표로 삼았다. 특히, 그들은 실제 보상 뇌 회로를 따르지 않았다. 이 뇌 회로는 뇌 내부에 훨씬 깊숙이 묻혀 있고 타겟팅 하기가 더 어렵다. 추론에 따라, 볼 곳에 대한 의사결정 프로세스의 일부가 변경되면 보다 쉽게 타겟팅 할 수 있는 다운스트림 회로를 장악하여 제어할 수 있다.

고주파 초음파는 뇌 영역으로 무선으로 방출되어 행동을 변화시킬 수 있으며 우울증과 같은 정신 장애 및 약물없이 다른 신경계 장애를 치료할 수 있는 독특한 잠재력을 가지고 있다. 이미지 출처: University of Utah College of Engineering/Jan Kubanek

결과는 놀라웠다. 보상에 상관없이 과학자들이 오른쪽 반구를 제어하는 왼쪽 정면 안구를 자극했을 때 두 원숭이는 시선을 오른쪽 목표 쪽으로 돌렸다. 오른쪽 앞 눈에서 뉴런을 자극하는 지역을 바꾸어 놓으면 원숭이가 왼쪽으로 보이는 결과를 얻었다.

결과는 실수로 여러 뇌 영역을 과도하게 활성화하는 대신 결과가 특정 작업에만 적용되도록 하기 위해, 선택 작업에 관여하지 않는 운동 피질에 대해 동일한 자극 레시피를 시도했다. 조지와 프랭크는 매일 초음파를 느끼지 않는 것처럼 일상 업무를 수행했다. 마찬가지로 원숭이들이 초음파가 꺼졌을 때 본능적인 행동으로 돌아갔다.

“초음파는 행동에 영향을 미치는 지점까지 강력한 효과를 낼 수 있다. 그리고 행동의 변화는 우리가 궁극적으로 관심을 갖는 것이다. 예를 들어, 우리는 의사결정을 제대로 하지 못하거나 최소한 사람의 손 떨림을 줄일 수 있다."라고 Kubanek이 말했다. 초음파가 행동을 제어하는데 얼마나 효과적인지 측정하는 것은 실제로 간단한 패러다임이라며 그는 덧붙였다.

이 연구는 초음파가 어떻게 우리의 마음에 영향을 줄 수 있는지에 대한 초기의 강력한 시연이다. 양철 모자를 착용하는 것은 아니다. 이 연구는 원숭이, 매우 특정한 실험실 환경 및 인식 작업을 위해 수행되었다. '마인드 컨트롤'과는 거리가 멀다.

그러나 신경조절 분야의 사람들은 이 연구를 환영한다. 초음파는 인간 뇌의 깊은 영역에 도달할 수 있으며 현재 대부분의 비 침습적 뇌 자극 기술로는 불가능하다. 이 연구에 따르면 40분의 자극 프로토콜은 잠재적으로 몇 주 동안 지속되는 결과를 초래할 수 있다고 Kubanek는 말했다.

이 팀은 현재 인간이 사용할 수 있는 프로토 타입 장치를 구축하고 있으며, 첫 번째 목표는 3년 만에 우울증에 걸린 사람들을 돕기 위해 사용하는 것이다. "[우리의 연구]는 인간의 뇌 기능에 대한 미래의 체계적인 연구로 나아가고 뇌 장애의 개인화된 치료를 목표로 삼을 수 있는 길을 열 수 있었다."라고 저자는 말했다. (유엔미래포럼)

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