뇌 임플란트, 파킨슨병 환자의 일상 속 보행 상태 실시간 감지 성공

실험용 뇌 임플란트가 파킨슨병 환자가 주방으로 걸어가거나 공원을 산책하는 등 일상을 보낼 때 운동 관련 뇌 영역의 신호를 포착할 수 있다는 연구 결과가 2월 13일 국제 학술지 Science Advances에 발표되었다. 이는 완전 이식형 장치를 이용해 실제 환경에서 인간의 특정 움직임 상태를 감지할 수 있음을 보여준 최초의 사례다.

샌프란시스코 캘리포니아 대학(UCSF) 연구진은 뇌심부 자극술(DBS) 임플란트 시술이 예정된 파킨슨병 환자 4명을 모집했다. 이러한 임플란트는 운동을 조절하는 뇌 영역에 전기 펄스를 보냄으로써 파킨슨병 증상을 완화한다. 연구에 참여한 4명의 환자는 전기 펄스를 내보낼 뿐만 아니라 뇌 활동까지 기록할 수 있는 특수 임플란트를 이식받았다.

연구팀은 이후 80시간 이상의 비감독 일상 활동 중인 환자들을 추적 조사했다. 이 기간 동안 환자들은 발목에 보행 상태를 포착하는 센서를 착용했으며, 연구진은 이 데이터와 움직임 중 발생하는 뇌파 데이터를 비교 분석했다. 양방향 조사용 DBS 시스템은 운동 피질(motor cortex)과 담창구(globus pallidus)를 포함한 운동 관련 뇌 영역의 신경 활동을 기록했다.

연구 결과, 뇌파 분석만으로 개인마다 차이가 있는 고유한 패턴을 통해 보행 상태와 비보행 상태를 구분해낼 수 있었다. 실제 일상 활동 중 수집된 신경 데이터와 운동 데이터를 동기화하여 분석함으로써, 연구진은 보행과 관련된 개인 맞춤형 뇌 활동 패턴을 식별했다. 이러한 신경 신호(neural signatures) 덕분에 이식된 DBS 장치는 가정 내 자연스러운 활동 중에 생성된 신호를 바탕으로 움직임 상태를 분류할 수 있었다.

연구진은 보행과 관련된 개인별 신경 바이오마커를 식별했으며, 이 신호들이 이식형 장치의 제약 내에서도 실시간 움직임 상태 분류에 사용될 수 있음을 입증했다. 이는 환자의 활동 상태에 대응해 자극을 조절할 수 있는 미래형 적응형 DBS 시스템의 틀을 구축한 것이다.

이러한 임플란트 피드백을 바탕으로, 의사들은 환자가 걷거나 앉아 있을 때, 혹은 다른 활동을 할 때에 맞춰 DBS 강도를 세밀하게 조정할 수 있게 될 것이다. 예를 들어, 임플란트가 환자의 보행을 감지할 때마다 보행에 최적화된 자극을 제공하도록 설정될 수 있다.

파킨슨병의 주요 증상은 종종걸음, 강직, 불안정성, 떨림 및 비자발적 행동과 같은 운동 장애다. 특히 보행 장애는 파킨슨병 환자들에게 가장 큰 고통을 주는 증상 중 하나다. 환자들은 흔히 발을 끌며 걷거나 움직임을 시작하는 데 어려움을 겪고, 방향을 전환할 때 불안정함을 느낀다. 이러한 변화는 낙상 위험을 높이며 독립적인 생활과 삶의 질에 중대한 영향을 미친다. 현재의 DBS 요법은 지속적인 자극을 전달하지만, 보행 곤란과 같은 증상은 하루 중에도 수시로 변하며 떨림이나 경직 치료에 맞춰진 기존 DBS 설정에는 반응하지 않는 경우가 많다.

이번 연구는 임상적 유효성보다는 기술적 실현 가능성을 입증하기 위해 설계되었다. 표본 크기가 작았기에, 움직임 상태 감지가 실제로 임상 결과를 개선할 수 있는지 확인하려면 추가 연구가 필요하다. 연구팀은 현재 이러한 신경 바이오마커를 이용해 보행에 최적화된 자극 설정을 동적으로 적용할 수 있는지 평가하기 위한 후속 임상시험을 계획하고 있다.

자연스러운 행동 중의 뇌 활동 연구를 가능하게 함으로써, 이 방식은 궁극적으로 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 적응형 신경 조절 기술의 범위를 통제된 실험실 환경을 넘어 일상생활로 확장하는 계기가 될 것이다.