뇌기능조절 기술소개

[Chapter 1] What is the Brain? 
뇌란 무엇인가? 그 기능과 역할에 대하여

- 뇌의 각 부분들

뇌는 우리 머리 내부의 기관으로 신경계의 최고위 중추기관입니다. 뇌는 대뇌, 소뇌, 중간뇌, 다리뇌, 연수로 나뉘어져 있으며 각각의 기능은 다음과 같습니다.

1. 대뇌(cerebrum)
뇌 중 가장 많은 부분을 차지하며, 좌우 2개의 반구로 구성되어 있습니다. 표면의 대뇌피질과 내부의 백질로 구성되어 있으며 부위에 따라 각각의 기능이 다릅니다. 운동, 감각, 언어, 기억 및 고등정신기능 뿐 아니라 생명유지에 필요한 각성, 자율신경계의 조절, 호르몬의 생성, 항상성의 유지등의 기능을 수행하기도 합니다.

2. 소뇌(cerebellum)
대뇌의 뒤쪽 아랫부분에 위치하며, 무게는 150g 정도이고 전체 뇌 용적의 10% 정도를 차지하는 중추 신경계의 일부입니다. 소뇌는 직접 자발적 운동을 일으키지는 않으나, 뇌의 다른 부분이나 척수로부터 외부에 대한 감각정보를 받아 이를 처리, 구성, 통합하여 운동기능의 조율에 사용합니다. 소뇌의 이러한 운동조절기능이 조화되어, 정밀한 운동이 가능하도록 합니다.

3. 중간뇌(midbrain, mesencephalon)
뇌줄기의 최상부에 위치하며 주로 청각반사와 시각반사에 관여하고, 의식상태를 조절하는 정중망상체가 위치합니다.

4. 다리뇌(pons)
중간뇌와 연수 사이에 위치하며, 얼굴 표정근, 저작근 등을 지배합니다.

5. 연수(medulla)
뇌줄기의 가장 하부에 척수와 연결되어 위치하며 호흡기, 순환기, 소화기관의 운동을 조절하는 자율 신경 중추를 갖고 있습니다.

위의 설명처럼 뇌는 부분에 따라 서로 다른 기능을 하고 있으며, 특히 대뇌는 인간이 다른 동물과는 다르게 고등정신기능을 할 수 있도록 그 기능을 담당하고 있습니다. 즉, 우리가 생각하고 느끼고 움직이는 모든 활동에 대한 사고를 바로 이 대뇌에서 하고 있습니다. 그럼 이 대뇌의 각 영역과 기능에 대해서 좀더 살펴볼까요?

- 대뇌의 영역과 기능

대뇌는 아래 그림과 같이 각각의 부분적인 영역에서 서로 다른 역할을 담당하고 있습니다.

사람의 이마에 해당하는 전전두엽은 판단, 통찰, 연산, 감정조절, 계획, 추진, 창의력 등과같이 우리가 공부나 어려운 정신활동을 처리할 때 가장 많이 사용되는 영역이며, 전운동 영역, 체감각 영역은 감각에 따라 운동을 처리하게 만들어 주는 영역입니다. 또한 브로카 영역과 베르니케 영역은 말하기와 듣기와 같은 언어를 표현하고 이해하는 역할을 담당합니다. 그리고 시각 영역에서는 우리가 눈을 통해서 바라보는 정보를 처리하고 있습니다.

이렇게 대뇌의 각 영역은 서로 긴밀하게 연결되어 우리가 생활하는데 있어서 꼭 필요한 능력들을 담당하고 있습니다. 보고 듣고 생각하고 느끼고 움직이는 이 모든 활동이 대뇌에서 계획되고 조직되고 행동하게 만들어진다니 참 신기하죠? 그런데 더 신기한 것은 뇌의 각 영역 안에 천억 개에 가까운 뉴런들이 서로 연결되어 그들간의 전기적인 정보전달 과정을 통해서 대부분의 기능이 그 역할을 수행하게 된다는 사실입니다.


[Chapter 2] Electronic Brain 뇌의 전기적 기능 조절 기술에 관하여
- 전기적 뇌?

전기를 사용하여 인간의 신경계를 치료하고자 하는 의학기술은 250년 전에 시작되었습니다. 과거의 문헌에 따르면 이미 1755년 프랑스의 Roy 라는 의사가 앞을 보지 못하는 맹인을 치료하기 위하여 머리 주위에 전선을 감고 전기를 흘리는 시도를 한 기록이 남아있습니다. 또한 이탈리아의 지오바니 알디니(1762~1834)는 전기 충격으로 우울증을 치료하려고 했으며, 심지어 그는 전기 충격으로 죽은 사람을 살릴 수 있다고 생각했다고 합니다. 그림은 알비니가 시체에 전기 충격을 주는 모습입니다.

다소 무서워 보이는 그림이지만 뇌 과학 및 의학은 지난 250년간 인류의 문화 및 기술의 발전과 더불어 많은 발전을 이루어 왔습니다. 이제 전기를 이용하여 두뇌의 기능을 조절하고 질환을 치료하는 기술은 더 이상 무섭고 위협적인 기술이 아니라, 현재 많은 사람들을 치료하고 두뇌를 개발하는 목적으로 사용되고 있습니다.
- Brain Stimulation? 
뇌의 기능을 조절하는 기술들에 관하여

전기를 이용하여 두뇌의 기능을 치료하는 기술은 큰 범주에서 보면 두뇌 자극술(Brain Stimulation)로 일컬어집니다. 현재까지 다양한 두뇌 자극술이 소개되었으며, 다음과 같이 크게 두 부류로 기술을 나누어 볼 수 있습니다.

침습식 두뇌자극기술(Invasive Brain Stimulation)
‘침습’이라는 단어에서 알 수 있듯이 이 기술은 수술을 통하여 전극을 뇌에 침투시키고 전기 신호를 가하여 치료하는 방법을 말합니다. 대표적으로 파킨슨병의 손떨림과 같은 신경증상을 치료하는데 심부뇌자극술(DBS; Deep Brain Stimulation)을 꼽을 수 있습니다. 이 치료방법은 시술 시에 뇌의 조직 오염 등의 위험성이 있으나, 파킨슨병 환자의 손떨림 증상 완화와 같은 효과를 노릴 수 있기 때문에 현재 신경외과에서 실제로 시술이 이루어 지고 있습니다.


[장점] 이 시술은 뇌에 전극을 삽입하는 시술로써 뇌의 깊숙한 영역까지 자극을 줄 수 있다는 장점이 있습니다.


[단점] 전극을 뇌에 직접 삽입하기 때문에 수술과정에서 두뇌에 미세 손상을 줄 수 있으며, 시술에 의한 비용이 비싸다는 단점이 있습니다.




비침습식 두뇌자극술(Non-invasive Brain Stimulation)

비용과 위험이 큰 침습식 두뇌자극술과는 다르게 비용이 덜 들고 위험이 적은 비침습식 두뇌자극술(Non-invasive Brain Stimulation)이 최근 들어 여러 가지 소개되고 있습니다. 대표적인 비침습 두뇌자극술에는 경두개 자기자극술(rTMS; repetitive Transcranical Magnetic Stimulation)방식과 경두개 직류자극술(tDCS; transcranial Direct Current Stimulation) 및 온도전정 신경자극술(CVS; Caloric Vestibular Stimulation) 등이 대표적입니다.


[장점] 이러한 시술의 장점은 앞서 열거한 방식 이외에서 여러 가지가 있는데 일단, 수술처럼 신경조직에 상처를 내는 시술도 필요치 않으며 하루 1시간 미만으로 비교적 짧은 시간에 단회성 치료시술을 수십회 반복하여 뇌의 특정부위를 활성화 혹은 비활성화 시키는 방식을 취한다는 점에 큰 장점이 있습니다.


[단점] 두뇌의 정확한 극소 부위를 자극하기가 힘들며, 뇌의 깊은 곳까지 자극하기가 힘들다는 단점이 있습니다.

이 기술 중 경두개 직류자극술(tDCS)은 가장 최근에 개발된 최신의 뇌기능 조절 방식으로 국내에는 잘 알려져 있지 않은 방식입니다. 상대적으로 장비와 기술의 연구가 늦었지만 효과가 좋고 매우 안전하며, 특정 부위를 자극할 수 있는 장비라는 점에서 매력적인 뇌 기능 조절 장비입니다. 실제로 이 기술은 2011년도에 세계적인 학술지인 Nature 에 소개되었으며, 현재 세계 유수의 대학 및 연구기관에서 그 효용성과 안정성에 대한 연구가 진행 중입니다.



[Chapter 3] transcranial Directed Current Stimulation(tDCS)란?


- 경두개 미세전류 자극술(tDCS)이란?

비침습 두뇌자극술에 속하는 경두개 직류자극술(tDCS; Transcranial Direct Current Stimulation)은 그 의미 그대로 미세한 직류 전류(<2mA)를 머리의 두피에 흘려 뇌의 기능을 조절하는 기술입니다.

뇌는 두개골이라고 하는 전기가 잘 통하지 않는 뼈로 둘러싸여 전기가 쉽게 흘러 들어가지 못하게 보호되어 있습니다. 하지만 두피를 통하여 미세한 직류 전류(<2mA; 인체에 해가 되지 않는 미세한 전류)를 흘려주면 그 중 일부가 뇌의 표면 부분에 도달하여 뇌신경의 활성에 영향을 줄 수 있게 됩니다. tDCS는 이러한 작용을 통하여 뇌를 활성화 혹은 비활성화시켜 그 기능을 조절하는 방법입니다.


- 경두개 미세전류 자극을 위한 전극

tDCS를 통하여 뇌의 특정부위의 기능을 조절하기 위해서는 두피에 일정크기 이상의 음극(Cathode)와 양극(Anode)를 부착하게 됩니다. 일반적인 tDCS에 주로 사용되는 전극은 스폰지에 생리 식염수를 적셔 전기가 통하게 만들어서 사용하는 방식과 특정 전극패드를 붙여 사용하는 방식이 있습니다.

저희 y-Brain 에서는 사용자 편의성과 안정성을 고려하여 1) 사용자의 피부 착용감이 좋고 2) 인체에 무해하며 3) 전도성이 탁월한 전극인 y-Pad를 개발하였으며, 이를 통하여 자극을 주기 때문에 기존 장비에서 느껴졌던 사용시의 불편함이나 위험성이 없습니다.


- 전극의 위치에 따른 다양한 효과

일반적인 tDCS는 뇌의 특정 영역의 기능을 활성화시키는 기술입니다. 따라서 사용시의 전극의 상대적 위치가 굉장히 중요합니다. 즉, 뇌의 특정 기능을 조절하기 위해서는 그 정확한 위치에 적절한 세기의 자극을 흘려주어야 합니다.

그 기능에 따라 전극의 위치와 세기 및 디자인이 다르며, 그 효능과 안정성이 임상실험을 통하여 입증된 기능은 다음과 같습니다.


1) 인지능력 향상 – 집중력 및 지능과 관련된 전반적 인지능력 향상 효과.

2) 감정 및 스트레스 조절 – 감정 조절 및 스트레스 완화에 탁월한 효과.

3) 숙면유도 – 숙면을 유도하여 피로 회복 및 휴식에 탁월한 효과.

4) 운동 및 감각 능력 향상 – 운동 반응속도 향상 및 향상된 운동능력 효과
5) 다이어트 – 충동적 식욕 억제 및 포만감 극대화를 통한 다이어트 효과
6) 엔터테인먼트 – 더 즐겁게 게임, 음악 및 영화 감상을 즐길 수 있는 효과.
7) 중독 치료 – 다양한 충동성 중독 치료에 탁월한 효과.
8) 언어능력 향상 – 언어 이해력 및 언어 구사력이 증가하는 효과



- 직류전류 자극의 특징과 안정성

tDCS는 두피에 미세한 직류 전류(DC; Direct Current)를 흘려 특정부위의 기능을 향상시키는 장비입니다. 누구나 과거 어릴적 건전지를 혀에 대보고 찌릿한 느낌을 경험해 본 적이 있을 것입니다. 실제로 tDCS는 9볼트 전지를 사용합니다. 따라서 이 건전지에서 발생하는 직류전류는 두피를 약하게 자극할 정도의 세기를 가지며, 발생된 전류 대부분은 뇌에 도달하지 못하고 소모되며 약 10~20% 내외의 약한 직류 전류 만이 두개골을 통하여 전극 아래쪽의 뇌 영역에 도달하게 됩니다.

이 자극은 실제로 교류전류(AC; Alternating Current)가 신경을 강하게 직접적으로 자극하는 성질과는 반대됩니다. 따라서 의식소실, 경련, 이상감각 또는 자동적 사지의 움직임 같은 부작용이 거의 발생하지 않습니다. 실제로 피부에 약한 전기가 통하는 느낌만 있을 뿐 부작용이 없는 뇌 기능 조절 방식입니다.