Digital-twin optimized transcranial temporal interference electrical stimulation alters rat brain activity patterns and metabolism including deep structures

뼈와 조직의 층 아래 깊숙한 뇌 내부에는 움직임부터 기분까지 모든 것을 조절하는 작은 세포 집단들이 자리 잡고 있습니다. 이러한 심부 구조가 기능 장애를 일으키면 파킨슨병이나 본태성 떨림과 같은 심각한 질환을 유발할 수 있습니다. 수십 년 동안 이를 해결하는 유일한 방법은 두개골에 구멍을 뚫고 금속 와이어를 삽ó입하는 것이었는데, 이는 '심부 뇌 자극술'이라 알려진 시술입니다. 이 수술은 효과적이긴 하지만 상당한 위험을 수반합니다. 과학자들은 머리를 절개하지 않고도 피부를 무해하게 통과하는 전기를 사용하여 이러한 깊은 표적에 도달할 수 있는 방법을 오랫동안 찾아왔습니다. 문제는 전기 전류가 자연스럽게 퍼지면서 이동할수록 강도가 약해지기 때문에, 뇌 표면 바로 위를 자극하지 않으면서 아주 작고 깊은 지점에 에너지를 집중시키기가 어렵다는 점입니다. '시간적 간섭 자극(temporal interference stimulation)'이라 불리는 기술이 잠재적인 해결책을 제시합니다. 이 기술은 서로 다른 각도에서 머리를 통과하는 두 개의 고주파 전류를 사용합니다. 개별적으로 이 전류들은 뇌세포가 감지하기에는 너무 빠르지만, 이들이 뇌 내부 깊은 곳에서 교차할 때 뇌가 느낄 수 있는 느리고 리드미컬한 맥동을 만들어냅니다. 이를 통해 연구자들은 표면을 비교적 건드리지 않으면서도 깊은 영역을 목표로 삼을 수 있습니다.

독일의 한 연구팀은 최근 이 방법이 살아있는 동물, 특히 쥐에게 효과가 있는지, 그리고 컴퓨터 모델을 사용하여 자극을 더 정밀하게 만들 수 있는지 테스트했습니다. 그들은 먼저 쥐 머리의 상세한 디지털 복사본, 즉 '디지털 트윈'을 구축하는 것으로 시작했습니다. 이 컴퓨터 모델은 단순한 형태가 아니라 피부, 뼈, 뇌 조직이 전기를 전도하는 각기 다른 방식을 고려한 복잡한 지도였습니다. 이 모델을 사용하여 과학자들은 쥐의 두개골에 네 개의 작은 전극을 배치하는 완벽한 위치를 찾기 위해 수천 번의 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들의 목표는 다른 영역에 불필요한 자극을 주지 않으면서 운동 제어와 관련된 깊은 뇌 영역인 시상(thalamus)을 특정하여 전기 펄스를 겨냥하는 것이었습니다. 컴퓨터 계산 결과, 전극을 두 쌍의 특정 위치에 배치하면 원하는 지점에 가장 강력한 간섭 패턴이 생성될 것임을 확인했습니다.

컴퓨터로 계획을 확정한 후, 연구진은 실험실로 이동했습니다. 그들은 마취된 쥐의 두개골에 전극을 조심스럽게 배치하고 전류를 가했습니다. 뇌 내부에서 어떤 일이 일어나고 있는지 확인하기 위해, 그들은 실시간으로 뇌 활동 사진을 찍을 수 있는 강력한 자기공명영상(MRI) 스캐너를 사용했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 전기 자극을 켜자 뇌가 스캐너 안에서 밝게 빛났습니다. 컴퓨터가 예측했던 바로 그 표적인 깊은 곳의 시상이 강한 반응을 보였습니다. 하지만 효과는 거기서 멈추지 않았습니다. 신호는 기억에 필수적인 해마와 감정을 처리하는 편도체를 포함한 다른 깊은 구조들로도 전달되었습니다. 시각 피질 및 의사결정과 관련된 영역처럼 전극에서 멀리 떨어진 뇌 부위들조차 활동의 징후를 보였습니다. 이는 전기 펄스가 단순히 표적만을 타격하는 것이 아니라, 직접적인 방식과 서로 다른 뇌 영역을 연결하는 연결망을 통한 방식으로 뇌 회로 전체를 활성화하고 있음을 확인시켜 주었습니다.

연구진은 또한 이 과정 동안 뇌의 내부 화학 성분이 어떻게 변하는지도 살펴보았습니다. 화학적 메신저의 수치를 측정하는 특수 기술을 사용하여, 그들은 시상 내에서 흥분성 신호와 억제성 신호 사이의 균형이 변화하는 경향을 발견했습니다. 구체적으로, 뇌세포의 발화를 촉진하는 화학 물질인 글루타메이트(glutamate)가 뇌세포를 진정시키는 화학 물질인 GABA에 비해 증가한 것으로 나타났습니다. 이러한 변화는 자극이 뇌의 대사 상태를 성공적으로 변화시키고 있음을 시사합니다. 그러나 자극이 멈춘 후 뇌의 연결성이 어떻게 변했는지 확인했을 때, 그 효과는 놀라울 정도로 짧았습니다. 뇌의 휴식 패턴은 비교적 빠르게 정상으로 돌아왔으며, 이는 단 한 번의 자극 세션이 네트워크의 영구적인 재배선이 아닌 일시적인 변화를 만든다는 것을 나타냅니다.

연구팀은 관찰된 신호가 순수하게 뇌가 전기에 반응하여 나타난 것인지, 아니면 단순히 전기장이 스캐너 자체에 간섭을 일으킨 것인지 확인하기 위해 여러 대조 실험을 실시했습니다. 그들은 동일한 장비와 설정으로 레몬과 피클을 스캔했고, 신호 변화가 없음을 발견함으로써 뇌 활동이 생물학적 반응임을 입증했습니다. 또한 매우 약하고 효과가 없는 전류를 가진 쥐 그룹을 테스트했는데, 이 동물들은 뇌 활동을 전혀 보이지 않았습니다. 이 연구는 비침습적인 이 방법이 설치류의 깊은 뇌 구조를 자극하는 실행 가능한 방법이라는 결론을 내립니다. 완벽한 설정을 설계하기 위해 컴퓨터 모델을 결과물과 결합함으로써, 연구진은 궁극적으로 인간을 위한 개인 맞춤형 비수술적 치료법으로 이어질 수 있는 작업 흐름을 만들어냈습니다. 비록 이번 단일 세션의 효과는 일시적이었지만, 수술 없이도 깊은 뇌 영역을 안전하고 정밀하게 표적화할 수 있는 능력은 신경계 질환을 이해하고 치료하는 데 새로운 문을 열어주었습니다.