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바이오메디컬 공학
글번호 386 등록일 2022-04-06
등록자 이민지 조회수 203명
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MRI는 핵자기공명이라는 물리현상을 이용해 사람 몸속을 들여다보는 장치입니다 CT를 이용해서도 우리몸의 내부를 충분히 들여다볼수있지만 X레이를 이용해서 신체 내부의 영상을 3차원으로 만들어 내는 기기였지요 X레이는 ㅏ뼈와 같이 딱딱하고 밀도가 높은 조직은 잘 통과하지 못하지만 피부나 근육처럼 부드러운 조직은 아주 잘통과하기에 피부나 근육 내장이나 뇌와 같은 부드러운 조직은 X레이 영상ㅇ서 잘 보이지 않습니다 그래서 이런 부드러운 조직들을 정밀하게 관찰할 수 있는 새로운 방법이 필요하게 된 것이 바로 MRI입니다 흔히 목이나 허리 디스크를 진단할 때 MRI가 많이 사용되는 이유기도 합니다

인체 내부의 영상을 얻을 대는 보통 수소원자의 핵자기공명현상을 이용합니다 수소는 원소기호가 1번입니다 수소원자는 원자핵과 전자 1개로 구성돼 잇지요 수소원자의 핵은 마치 지구가 23.5도 기울어진 자전축 둘레로 자전을 하는것처럼 어떤 축을 기준으로 자전을 하고있습니다 이런 핵의 회전은 자전축의 방향으로 자기장을 만들어 내게 되는데요 마치 지구의 북극에서 자기장이 나와서 다시 남극으로 들어가는 현상과 상당히 비슷합니다 다시말해 소소원자 하나하나가 작은 자석과 같은 역할을 하는 셈이지요

우리가 수소원자의 핵자기공명현상을 이용하는 이유는 크게 두가지로 우선 각각의 수소원자가 만들어 내는 자기장의 크기가 다른 원소보다 더 크기 때문입니다 MRI는원자가 만들어 내는 자기장을 측정하기에 더큰 자기장이 만들어지면 더 큰 신호를 얻을수있지요

두 번째로 중요한 이유는 우리 몸안에 수소원자가 아주 많이 들어있기 때문입니다 우리몸의 70%는 물로 구성되어있는데 각각의 물분자는 산소원자 1개와 수소원자 2개로 이뤄져있기에 우리몸 속 어디에나 아주 많은 양의 소소원자를 찾아낼수잇는것입니다 평상시에는 작은 자석들의 방향이 제각각이기에 자기장들이 서로 상쇄되어 몸밖에서 측정할수없지만 몸의 바깥에서 큰 자기장을 만들어주면 이야기가 달라집니다 지구가 하나의 커다란 자석이기에 나침반을 사용해서 우린 항상 북극을 찾을 수있잖아요 이와 마찬가지로 우리몸을 통과하는 일정한 방향의 자기장을 만들어주면 우리몸속의 작은 자석들이 마치 나침반들처럼 한 방향으로 정렬이 됩니다 아주 많은 수의 작은 자석들이 한 방향으로 정렬이되니 이 자기장 들이 더해져서 몸 밖의 자기장 과 같은 방향의 새로운 자기장을 만들어 내게 되는것입니다 만약 이 자기장을 몸 밖에서 측정할수만 있다면 우리몸안에 수소원자가 얼마나 많이 있는지 알아낼수있을겁니다 그런데 문제는 이렇게 새롭게 생겨난 자기자으이 크기가 몸밖에서 만들어주는 자기장에 비해 크기가 너무 작아서 측정이 어렵다는데 있습니다 1970년 초에 미국의 화학자인 폴 로터버와 영국의 물리학자인 피터 맨스필등등은 “이 작은 자석을 몸 밖 자기장의 방향에 수직한 방향으로 눕혀주면 어떨까?”라는 아이디어를 내게됩니다 수직한 방향으로는 자기장이 전혀없으니아주 작은 자기장으로도 측정이 가능할테니가요 그런데 도대체 한 방향으로 서있는 자석을 어떻게 수직하게 눕힐수있을가요 또 다른 자석을 이용해서 수직한 방햐으로 당겨주면 되는것이지요 집에 나침반과 자석이 있다면 나침반 위에 다른 자석을 한번 가져다 대어보시기를 바랍니다 그러면 누워있던 나침반이 자석방향으로 서는 현상을 관찰할수있을것입니다 더욱 재밌는 것은 이렇게 자석을 눕힐 때 원자가 가진 고유의 wsehd 주파수로 흔들면서 눕혀주면 더욱 쉽게 눕힐수가있습니다 이 고유의 진동 주파수를 라모르 주파수라고 합니다 수소원자는 원래 자전축에서 기울어지면 축을 중심으로 세차운동이라는 운동을 하는데요 쉽게 말해 지구가 자전을 하면서 태양 주위를 도는 현상과 비슷하다고 생각하면 됩니다 이 세차운동의 주파수가 바로 라모르 주파수입니다 이 주파수와 같은 주파수로 잡아당기면 마치 그네를 탈 때 올라가는 타이밍에 맞춰서 발을 굴러주면 더 높이 올라가는 것처럼 쉽게 수소원자 자석들을 눕혀줄수있는 것을 핵자기공명 현상이라고 부릅니다 이렇게 수직한 방향으로 자석들을 눕힌 다음에는 수소원자들이 만들어 내는 자기장을 측정하면서 몸의 어느부위에서 얼마만큼의 자기장이 발생하고 있는지를 알아낼 수 있습니다 우리몸의 각 조직과 기관은 서로 다른 수분함량ㅇ르 갖고있기에 수소원자의 밀도가 다릅니다 이뿐만 아니라 수소원자 자석이 누운 다음에 원래 상태로 돌아오는데 까지 걸리는 시간도 각기 다르지요 이런 차이를 3차원 영상으로 그려낸 것이 바로 MRI입니다

몸속 작은 자석들의 세기를 키워주면 더 큰 신호를 얻을수가 있어 더욱 정밀한 영상을 얻어낼수있는데 이렇게 하기 위한 방법에는 크게 두가지가 있습니다 하나는 수소원자 주변의 온도를 낮추는것입니다 그런데 우리인간은 체온이 일정하게 유지되는 항온동물이기에 다른방법인 외부에서 만들어주는 자기장의 세기를 키우는 것을 생각하게 되었습니다 자기장의 세기는 테슬라(T)라는 단위로 표시하빈다 지구가 만들어내는 자기장인 지자기의 세기는 0.00005테슬라 정도이빈다 가정에서 냉장공 많이 부착하는 병따개 자석의 세기는 0.02테슬라 정도입니다 시중에서구할수잇는 가장 센 영구자석의 세기는 1.3테슬라 정도인데 이 정도 세기의 자석은 냉장고에 붙으면 손으로는 절대로 뗄수없을 정도로 강력한 자석입니다 최근 병원에 많이 설치되어있는 MRI는 3테슬라의 자기장을 이용합니다 이렇게 큰 자기장은 영구자석으로는 도저히 만들수가 없기에 초전도체로 만든 거대한 전자석을 이용합니다 MRI하면 떠오르는 가운데 구멍이 뚫린 원통 둘레에는 초전도체로 만든 전선이 용수철 모양으로 빼곡하게 감겨져있습니다 그런데 초전도체는 아주 낮은 온도에서 저항이 사라지기에 매우 큰 전류를 흘릴수있어서 3테슬라보다 더 큰 자기장도 만들어내는 것이 가능합니다 이처럼 초고자장 MRI를 이용하면 현재 병원에서 촬영하는 영상보다 더욱 선명하고 정밀한 영상을 만들어 낼 수있어 알츠하이머 치매와 같은 뇌질환을 진단하는데 크게 도움이 될것으로 예상하고 잇습니다 그런데 왜 병원에서는 아직 찾아보기 어려울까요

우리는 많은 공학 문제에서 트레이드 오프라는 문제를 경험합니다 하나의 이득을 얻는 대가로 다른 측면의 이득을 잃게 되는 현상ㅇ르 말하는데요 초고자장 MRI를 사용하면 정밀한 영상을 얻어낼수잇는 대신에 자기장ㅇ르 균일하게 만드는 것이 어려워져서 균일한 밝기의 영상ㅇ르 만들어 내기가 어렵습니다 영상의 어느 부분은 밝고 다른 부분은 어두워져서 얼룩 덜룩한 영상이 만들어지게 되는것이지요 요즘에는 주로 컴퓨터를 이용해 영상ㅇ르 자동분석하는데 균일하지 않은 영상은 이런분석에 적합하지 않고 데이터를 얻어내는데 시간이 많이 걸려서 넓은 부위를 관찰하려면 시간이 너무 오래걸립니다 이처럼 트레이드 오프문제를 해결하는기술을 돌파형기술이라고부릅니다 MRI를 가장 많이 활용하는 신체부위는 뇌입니다 우리 뇌는 말랑말랑한 조직으로 구성돼 있어서 CT로도 관찰이 어렵고 딱딱한 뼈로 덮여있어서 초음파로도 들여다보기 어렵기 때문입니다 뇌가 활동할 때 그 부위에 산소를 많이 공급하기 위해서 혈류량이 증가하면 혈관내부에 있는 헤모글로빈의 농도가 변하게 되고 이런 변화가 주변 자기장에 영향을 주게 되어 MRI영상에 미세한 변화가 나타ㅏ는 것을 이용한 것이 fMRI입니다

그런가하면 19990년대 후반에는 MRI를 이용해서 대뇌의 백질에 있는 신경섬유 다발의 구조를 해부하지 않고도 들여다볼 수 있는 기술인 확산 텐서 영상도 개발되었는데요 신경섬유가 뻗어있는 방향으로 물의 확산이 더 활발하게 일어나는 현상을 이용해 수소원자의 이동을 MRI로 추적하는 방법입니다 이방법은 신경섬유 다발의 기형이나 섬유가 끊어지는 현상등을 관찰하거나 여러 가지 뇌질환을 진단하는데 활용합니다 최근MRI분야의 가장 큰 이슈 또한 인공지능 기술을 활용하는것입니다 현재의 fMRI는 혈류의 변화ㅣ를 측정하기에 아주 느린 뇌의 변화만을 관찰할수이찌만 최근에는 빠르게 변하는 신경세포의 활동을 직접관찰하기위해 아주 낮은 세기의 자기장을 사용하는 초저자장MRI라는 기술도 개발되고있습니다

 

초음파는 가장 안전하고 간편하게 신체내부를 들여다볼 수 있고 실시간으로 관찰할 수 있습니다 초음파 영상기기는 음파 ,소리를 이용합니다 초음파라는 말은 음파 중에서 우리가 들을 수 있는 최대 주파수인2만 헤르쯔보다 더 높은 주파수의 음파를 사용하기에 붙여진 이름입니다 소리는 매질의 진동이라고 할수있는데 공기가 매질일때는 우리가 들을 수 있는 소리도 어느 정도 잘 전파가 되지만 물이나 달라진 매질안에서 전파가 잘 일어나게 하려면 음파의 주파수를 높여야합니다 특히 사람의 몸은 70%가 물로 구성돼잇기에 주파수를 더욱 높이는것입니다

우선 전기신호를 초음파로 바꿔주는 트랜스 듀서 라는 장치로 에너지를 변환합니다 몸 표면에 트랜스듀서를 대고 초음파를 발생시키면 몸 내부로 들어간 초음파가 장기나 조직의 경계에서 부딪혀 반사가 일어나게 됩니다 발사한 초음파의 일부가 되돌아오는 셈이지요 트랜스듀서는 전기신호를 초음파로 바꿔주는데 반대로 초음파를 전기신호를 만들어낼수도있습니다 반사되어 돌아오는 초음파를 다시 트랜스듀서로 측정하면 가까이서 반사된 초음파는 먼저 측정이 되고 멀리서 반사된 초음파는 나중에 측정이 되겠지요 그러면 초음파가 진행한 방향으로 어떤 경계가 있으며 이 경계가 초음파를 얼마나 많이 반사하는지를 알아낼수가있습니다 이런 현상을 이용해서 초음파를 여러방향으로 발사한 뒤에 반사된 초음파 신호를 한데 모으면 2차원 영상을 만들어낼 수 있습니다 그런데 초음파를 여러방향으로 발사하려면 초음파 트랜스듀서의 방향을 게속해서 틀어줘야하빈다 그런데 트랜스듀서의 방향을 돌기기위해 전기모터가 탐촉자 내부에 들어가면 진동도 발생하고 기계장치에 고장도 발생할수있어서 작은 트랜스듀서를 여러개만든 다음에 나란히 붙여 각각의 초음파 트랜스듀서에서 초음파를 발사하는 시점을 조금씩 다르게 조절하면 트랜스듀서를 회전시키지 않고도 음파의 간섭현상에 의해서 초음파의 발사각도를 조절할수가있습니다 실제회전없이 초음파의 방향을 바궈주는 방법인 빔 조향을 매우 빠르게 하기에 심장이 뛰는 모습도 실시간으로 볼 수 있습니다

앰뷸런스가 다가올때는 음파의 파장이 짧아지고 주파수가 높아져서 높은 소리가 들리고 다시 앰뷸런스가 멀어지면 음파의 파장이 길어지고 주파수는 낮아져서 낮은 소리가 들리는 현상을 도플러 효과라고 합니다 혈액 안에있는 적혈구는 음파를 잘 반사하는 성질을 가지고잇습니다 따라서 혈관을 향해 초음파를 발사하면 적혈구를 포함한 혈액이 빠르게 멀어지면서 반사되는 초음파의 파장이 길어집니다 반대로 천천히 멀어지면 상대적으로 초음파의 파장이 덜 길어지게 되는데 이런 현상을 이용해 흘러가는 혈애그이 양과 속도를 계산해서 영상으로 나타낼수가 잇습니다 최근에는 광음향영상이라는 기술도 개발되고있는데 생체 조직에 레이저를 발사하면 조직이 열에 의해 팽창하면서 약한 초음파를 발생시킵니다 이런 특성은 조직마다 조금씩 다르기에 조직별로 구별이 되는 영상ㅇ르 만들어 내는 것이 가능합니다 초음파의 강도를 세포에 영향ㅇ르 주지 ㅇ낳을 정도로 낮게 유지하기에 안전하지만 초음파도 강도를 높이면 세포나 조직을 파괴할수있을정도로 강력한 힘을 가지는데 이를 이용해 최근에는 한곳에 집중시켜 고강도의 초음파로 암세포만을 없애는 치료기술 하이푸가 보급되고있습니다 특히 자궁근종은 하이푸의 보급으로 수술없이 치료가 가능한 질환이 되고있고 최근에는 다른 질환의 치료로 확대하고있는 추세입니다

 

핵의학영상은 동위원소를 이용해서 영상을 만듭니다 방사성동위원소란 원자번호는 같지만 질량수가 다른 원소를 일컫는데 산소는 보통 원자번호가 8번이고 질량수는 16이며 기호로는 16O로 표시합니다 보통의 산소와 같이 원자번호가 8이지만 질량수가 15일 산소는 16O의 동위원소인것이지요 특히 이런 동위원소들 중에는 상태가 불안정해서 방사선을 방출한 뒤에 안정한 상태로 변하는 동위원소가 있는데 이들을 방상성동위원소라고 부릅니다 일반적으로 안정한 상태의 원소들을 살펴보면 원자번호가 낮은 원소들의 경우에는 핵에 중성자와 양성자의 수가 비슷한 경향성ㅇ르 보이고 원자번호가 높은 원소들의 경우에는 중성자으이 수가 양성자보다는 많은 경향성ㅇ르 보입니다 하지만 안정적인 상태에서 벗어나 잇는 동위원소는 내부의 에너지가 높아 다양한 형태로 에너지를 반산하면서 안정된 상태로 변화하려는 특성을 갖게되는데 이대 나오는 에너지중에는 방사선을 들 수 있습니다 전자석을 이용하여 전하를띤 입자를 가속시켜 특정원소에 충돌시키는 방법을 이요했지요 핵의학영상은 인공적으로 만들어진 방사성동위원소가 붕괴하면서 방출하는 방사선을 측정해 영상을 만들어 내는 기술입니다 화학물질에 동위원소를 삽입하여 만든 화합물이 우리 몸속에서 어떻게 사용되는지를 영상화합니다 우리몸속에서 산소가 어떻게 사용되는지 알기위해 바사성동위원소인 산소(15O)를 이용해 특수한 물(H2 15O)분자를 합성해냅니다 인공적으로 합성된 물분자를 체내에 넣어 영상ㅇ르 촬영하게 되면 우리 체내의 어느곳에서 물이 사용되는지를 알아낼수있지요 H2 15O물은 영상으로 추적이 가능한 분자구조이기에 방사성추적자라고도 부릅니다 몸속에 넣어준 방사성추적자의 방사선동위원소에서 방출되는 방사선을 검출하여 인체 조직의 기능이나 변화를 측정하는것입니다

핵의학영상기기들은 방출되는 방사선이 단일 감마선인 경우 이를 2차원의 사진영상처럼 촬영하는 감마카메라, 단일 감마선이지만 3차원의 영상처럼 단면 영상을 얻을 수 있는 단일 광자바출단층촬영장치, 쌍방향으로 방출되는 감마선을 이용해서 3차원의 단면 영상을 얻을 수 있는 양전자방출단층촬영장치가있습니다 단일광자단층촬영장치는 스펙트라고 불리는데 방사능검출기가 회전하면서 감마선을 검출합니다 이렇게 회전 각도마다 얻어진 감마선 데이터를 이용하여 영상을 재구성하면 3차원 단층 영상을 얻을 수 있습니다 이렇게 감마카메라와 단일 광자방출 단층촬영장치를 이용하면 암분만 아니라 골수염이나 뼈에서 발생한 염증 등을 쉽게 진단할 수 있고 신장의 기능 및 혈류장애를 진단하는데에도 많이 사용됩니다 양전자방출단층촬영장치는 흔히 펫으로 알려져있는데 일부 동위원소는 전자와 충돌한 뒤 붕괴하여 서로 180도 방향을 가지는 2개의 감마선을 방출합니다 이렇게 방출된 감마선을 인체 둘레의 감마선 검출기로 측정한 다음 역전사 알고리즘을 이용하면 단면 영상ㅇ르 얻어낼 수 있습니다 PET는 주로 동위원소 18F을 포도당에 결합한 방사성추적자를 사용하는데 포도당은 에너지 대사가 많은 곳에 모이기에 에너지 대사가 활발한 암을 검출하는데 유용합니다 최근의 기술트렌드는 역시 융합입니다 특히PET과 MRI융합기술 개발에 있어서는 우리나라 과학분야 한국인 최초 노벨상 후보를 이야기할 때 1순위로 거론되는 조장희 교수님이 계시는데 원형형태의 PET을 1975년에 세계최초로 개발한 학자이시죠

 

요즘에는 전자의수로 손가락 관절까지 움직이고 달걀드는 힘까지 조절할수있는데요 의도한 대로 손을 자유롭게 움직일 수 있는 비결은 바로 근전 인터페이스라는 기술에 잇스빈다 우리몸은 수많은 근육으로 이뤄져있는데 이 근육을 수축시키는 동력은 우리몸에 흐르는 전류입니다 근육이나 신경은 흥분성 세포라고 하는데 세포의 흥분이 일어나면 활동전위라고 하는 전류를 발생시킵니다 이처럼 근육에 전류가 흐르면 근육의 수축이 일어나게 되는것이지요 심장의 경웅에는 심장 벽을 이루는 근육에 전류가 흐르면 심장이 수축되면서 온몸에피를 공급할수있게 됩니다 이처럼 근육에서 발생하는 전류를 근전도라고 부르는데 근전도신호는 피부 표면에서도 측정이 가능합니다 피부에 전기신호를 측정할수잇는 전극을 여러개 붙인채로 서로다른 손동작을 취하면 각각의 전극에 독특한 패턴의 근전도가 측정됩니다 이 신호를 기게학습 기술을 이용해서 분석하면 어떤 손동작을 취했는지를 알아낼수이찌요 손이나 팔을 잃어버린 사람들도 뇌에서는 움직이게하는 영역이 남아있기에 특정한 손동작을 하라는 명령을 내릴 수 있습니다 이런 명령을 내릴대 팔의 잘려진 부분 바로 위족에 남아잇는 근육의 근전도 신호를 측정하면 그 사람이 내린 명령을 직접적으로 알아내는 것이 가능해 전자의수를 의도대로 움직일 수 있습니다 전자의족은 잘걸을 수있도록 도와주는게 중요한데 인공지능 기술을 이용해 개개인의 보행패턴을 자동으로 분석해서 모터를 제어함으로써 자연스러운 걸음걸이를 가능하게 할 정도로 발전했습니다 인간의 감각은 온몸에 거미줄처럼 뻗어있는 신경망을 통해 뇌로 전달이 된느데 잘려진 팔의 부위에서 손가락의 감각을 전달하는 신경섬유를 찾아낸 뒤 그 부위에 전기자극을 주면 손가락에 전달되는 감각을 뇌로 전달하는게 가능합니다  

 

 

며칠전에 둘째 아들이 아빠랑 레슬링을 하다가 고막이 터져 집에서 요양중인데요 다양한 질환 중에서 우리가 환자가 될 확률중에서 우리가 가장 환자가 될 가능성이 높은 질환이 청각장애입니다 선천적인 청각장애는 3%에 불과하지만 나이가 들어가면서 65세이상의 1/3이, 75세이상의 1/2이 청각장애를 갖게된다고 하니 말합니다 우리가 소리를 듣는 과정을 간단히 정리하자면 소리가 뒷바퀴가 잇는 외이를 지나 고막을 진동시키고 이 진동이 중이안의 이소골, 내이 안의 달팽이관의 유모세포를 지나 청신경에 전달되고 뇌의 청각피질가지 정확히 전달되어야 소리를 들을 수 있습니다 그런데 이 복잡한 소리의 전달 과정을 담당하는 특정부분에 손상이 생기면 우리는 소리를 듣지 못하게 됩니다 고막의 손상, 이소골의 파괴, 달팽이관 액체 내의 이온 농도 변화, 청세포의 섬모손상, 신경계의 손상 등 청각손실에는 다양한 원인이 있는데 이중 가장 많은 원인은 소음이나 약물등에 의한 청세포의 손상입니다 달팽이관의 한 영역에 있는 청세포가 손상을 받게되면 특정한 주파수의 소리를 듣지 못하게 됩니다 사람들은 나이가 들면 고주파 영역의 말을 못 듣게 됩니다 바이올리니스튼느 왼쪽귀의 청력손상이 훨씬 더 많다고 하는데요 이렇게 청세포의 손상은 부분적으로 일어나기에 손상ㅇ르 받은 정도만큼 소리의 크기를 키워주는 장치가 필요합니다

보청기는 외부의 소리를 듣는 마이크, 소리를 분석하여 원하는 소리로 증폭하는 증폭기, 소리를 귀에 전달하는 리시버로 구성됩니다 소리를 디지털신호로 만들어서 주파수별로 분해해 증폭한 후 실시간으로 이 소리를 다시 합성하는 아주 복잡한 기술이 필요합니다 소리의 전달이 전혀 안 되는 경우에는 인공와우를 시술해야만 합니다 소리를 주파수별 크기로 분해하여 20여 개의 전극으로 청신경을 전기적으로 자극하는인체이식물입니다 따라서 인공와우를 시술하기위해서는 적어도 달팽이관과 청신경이 정상적이어야 합니다 귀 근처에서 소리를 수집한 뒤에 주파수별로 분해하여 전기신호로 만드는 전자장치는 피부 밖에 위치하고 변환된 전기신호를 이용하여 달팽이관 내의 청신경을 자극하는 전극 시스템은 귀 주위의 피부 밑에 이식하게 됩니다 그리고 신경자극기에는 달팽이관에 삽입할 전극이 연결되어있지요 인공와우를 통해서 소리를 듣게되면 청신경의 각 부위를 전기적으로 자극해 소리에 해당하는 정보를 뇌에서 인식하게 만들기에 실제로는 전혀 다른 소리를 듣게됩니다 예를 들어 우리가 아라는 소리를 내면 일반적인 귀는 복잡한 소리전달 과정을 거쳐서 아 라는 소리에 해당하는 수많은 청신경들에 전달되어 소리를 인식하지만 인공와우로 소리를 듣게 되면 아라는 소리에 담긴 주파수에 해당하는 청신경의 특정 부위를 20여개의 전극만으로 자극하기에 일반인의 청신경과 동일한 반응ㅇ르 만들어낼수는없습니다 수개월정도의 훈련을 거쳐 우리의 뇌는 이러한 전기자극을 아 라는 소리로 알아들을수잇‘게되지요

 

우리는 외부에서 받아들이는 정보 중 70~80%정도를 시각을 통해 얻는 것으로 알려져있습니다 시각정보를 담당하는 기관인 눈의 구조와 기능은 카메라와 유사합니다 카메라의 렌즈를 통해서 들어온 빛이 필름에 도달하면 상이 맺히듯이 눈의 각막과 수정체를 통해 들어온 빛은 안구 뒷면에 있는 신경 조직인 망막에 도달하면 상이 맺히게 됩니다 망막의 가장 아래쪽에는 빛을 감지하는 광수용세포가 잇는데 이들 세포는 빛신호를 신경계가 해석할 수 있는 전기신호로 바꾸어 뇌에 전달함으로써 시각정보를 인식할수있게합니다

각막이나 수정체에 의해 시각기능이 손실되면 이식수술ㅇ르 통해 치료가 가능하지만 망막에 이상이 생기게되면 상황마다 회복가능성이 달라집니다 손상된 망막이 재생되지 않는 경우 유일한 방법은 인공시각 기술입니다 우리몸에서 실제로 시각정보를 인식하는 곳은 뇌의 시각피질 영역입니다 빛의 신호를 전기신호로 바꾸어주는 망막의 광수용세포를 대신할 시스템을 직접 시신경에 연결하면 눈을 감고도 시각정보를 인식하는 것이 가능한 인공시각 기술이 구현가능해집니다 1755년 의사 샤를 르 로이는 전기자극을 통해서 시각장애인에게 반짝이는 빛을 인식하게 하는데 성공합니다 시각피질에 전기자극을 가해 여러차례 불빛이 보이고 우리뇌의 시각피질에 망막의 표면에 대칭되는 2차원의 망막지도가 존재한다는 사실을 밝혀냅니다 망막지도는 좌우상하가 뒤바뀌어있어서 망막에 들어오는 빛의 정보가 오른쪽 위인 경우 시각피질의 왼쪽 아래 지점으로 연결됩니다

인공망막 기술은 망막에 연결된 신경ㅇ르 자극해서 시각정보를 뇌로 보내 이를 인식하게 하는 기술입니다 망막세포변성이나 황반변성 등의 이유로 시각기능을 잃어버린 사람들 중에서 광수용세포는 손상되었지만 내부의 시신경 세포는 정상인 사람들에게 적용이 가능한데요 망가진 광수용세포를 대신하여 빛 정보를 전기신호로 변환한 뒤에 내부세포에 전달하면 시각피질로 시각정보를 전달하는 것이 가능합니다 인공망막의 시작은 1956년 호주의 태시커가 빛에 민감한 셀레늄 포토다이오드를 망막 뒤에 이시해서 빛에 대한 감각을 회복시키는 방법을 특허로 등록하며 시작되었습니다 이후 1977년 미국의 의사 도슨과 라트케가 망막을 전기적으로 자극했을때에도 시각 피질을 전기적으로 자극했을때와 유사한 효과가 발생하는 현상을 관찰합니다

최근의 인공망막은 소형카메라 영상처리장치 송신코일 수신코일 그리고 미세전극으로 이루어져 잇습니다 소형카메라ᅟᅳᆫ 외부영상을 실시간으로 촬영하고 영상처리 장치는 획득한 영상을 시신경 세포 자극을 위한 전기신호로 변환시킵니다 변환된 전기신호는 송신 코일을 통해 망막에 부착된 수신코일로무선으로 전송되고 수신 코일은 전달된 전기신호를 망막내에 삽입된 미세전극으로 전달합니다 미세전극은 망막에 부착되어 망막 내부에 남아있는 시신경세포를 전기적으로 자극하게되빈다

망막질환의 진행정도가 심각해지면 전기자극에 의해 생성되는 신경신호의 크기나 신경신호의 일관성이 감소하지만 정상적인 망막에서는 동일한 자극에 대해 생겨나는 신경신호가 매우 비스삽니다 이 결과는 망막질환으로 시각을 잃은 환자에서 우수한 인공시각을 만들어주기 위해서는 신경신호의 일관성ㅇ르 높이는 것이 중요하다는 사실ㅇ르 알려줍니다

 

영화 아이언맨에서 토니 스타크는 몸속 혈관에 수류탄 파편들이 들어가 심장에 다다르게 되면 죽게될 수도 있는 절체절명의 상황에서 아크 원자로라는 에너지 발전기를 만들어냅니다 강력한 자기장을 생성해 혈관 안의 파편들이 심장으로 가지 않도록 도와주는 것이죠 바로 이식형 심장박동기가 하는 일과 비슷합니다 부정맥과 같은 심장질환을 앓고있는 사람의 심장을 뛸수있게 해주는 의료기기지요 하지만 단점이 하나있는데 배터리입니다

시간이 지나면 재수술로 교체해주어야하는 단점을 극복하기위해 생체 내에서 전기에너지를 생성할 수 있는 에너지 하베스팅 기술이 개발되고있습니다 에너지 하베스팅은 주위의 버려지는 빛이나 열 움직임과 같은 에너지를 태양관 압전 열전 마찰전기 등의 방식으로 끌어모아 전기에너지를 얻어내는 기술을 의미합니다 일례로 이스라엘에서는 차들이 도로를 통과할때마다 발생하는 압력과 진동에너지를 이용해 도로의 신호등과 가로등의 불을 밝히고있습니다 이러한 기술을 압전기술이라고 합니다 물질에 압력을 가하거나 형태가 변할 때 전기가 발생하는 현상ㅇ르ㅗ 이러한 특징을 갖는 물질을 압전물질이라고 합니다 티탄산 바륨, 티탄산 지르콘산 연 과 같은 물질들이지요 이러한 압전물질에 물리적인 힘을 가하면 물질 내부의 원자 배열이 바뀌면서 전기가 발생합니다 예를 들어 티탄산 바륨의 경우 원래 입방체 구조의 배열을 가지고 잇는데 압력을 받게되면 배열이 정방형 구조로 변화하면서 전기 쌍극자가 정렬되어 전기에너지가 발생합ㄴ디ㅏ 실제로 한 연구에서는 신발 밑창 부분에 전기를 생산하는 압전소자를 부착하자 사람이 걸을 때 가해지는 압력만으로 휴대폰 배터리를 충전할수있을정도의 전기가 만들어지기도 했습니다 최근에는 이러한 방식을 생체 내부에 적용하려는 시도가 이뤄지고있는데요 압전소자를 심장과 같이 주기적인 움직임이나 변화가 있는 곳에 부착하면 그 압력으로 인해 전기가 만들어지는것입니다 압전 발전기에 사용되는 압전물질은 대부분 납을 포함하고 있어 인체내에서 독성을 나타낼 수 있습니다 또 심장박동과 같이 생체 내에서 일어나는 움직임을 동력원으로 삼을수박에 없어서 주기성이 일정하지 않을 수 있고 정상적인 심장박동에 영향을 줄 가능성도 남아있습니다

겨울철이 되면 코트를 입다가도 정전기가 종종 발생하지요 이런 마찰 전기를 이용해 생체 내에서 에너지를 얻는 기술도 개발중입니다 마찰전기는 서로 다른 두 물질을 마찰시킬 때 두 물질 사이에서 전자의 이동이 일어나기 때문입니다 모직코트에 있는 전자가 우리 손가락으로 이동하면서 모직코트는 양극으로 손구락은 음극으로 대전되기에 전기에너지가 생겨나는 것이죠 우리몸에 움직임이 발생하는곳에 마찰전기 현상을 잘 일으키는 물질을 놓아서 걸음을 걷거나 숨을 쉴 때 이 물질들이 서로 만나서 전기를 만들어 내게하는것입니다 마찰전기를 일으키는 물질을 큰 면적으로 만들어서 마찰되는 부분을 넓게 만든다면 만들어지는 전기의 양도 상당할 것이기에 압전 기술에 비해 상용화될 가능성이 더 높다고 평가받고있습니다 우리 인체의 70%는 물로 이루어져 있는데 수분이 가득한 환경에서는 전자의 이동이 잘 일어나지 ㅇ낳기에 마찰전기가 생성되기 어렵고 우리 인체 내에서는 물질들이 마찰하는 속도가 빠르지 않아서 많은 발전량을 얻기 힘들다는 문제도 있습니다

물리적인 힘이 부족할 경우에는 발전 성능이 낮아질 수 있고 독성이 있는 압전물질을 생체 내에 삽입해야 하는 등 안정성과 안전성에 대한 숙제가 있어 화학적에너지를 이 용한 에너지 하베스팅이 연구되고있습니다 생체연료전지라고 불리는 기술입니다 우리몸안의 포도당이 전지의 에너지원이됩니다 생체연료전지의 예를 들어보겠습니다 애노드라고 적힌 금속 전극에는 포도당 효소와 같은 생체 효소가 부착되어있습니다 우리몸속 포도당과 이 효소가 촉매반응을 일으키면 전기가 생겨나게됩니다 생체연료전지는 이렇게 혈액이나 다른 체액 속에 존재하는 포도당을 연료로 사용하기에 생체 내에서 전기에너지를 얻는 에너지 하베스팅 방법 중에서 가장 안정적으로 에너지원을 제공받을 수 있습니다 또 압전소자와 같은 금속물질 대신에 포도당효소와 같은 생체 효소를 촉매로 사용하기에 우리인체 가장 안전한 기술이기도 하지요 생체연료전지도 전극구조가 평판형이고 생체 효소의 안정성이 낮아서 인체 내에 이식할수있을정도로 크기가 줄이기가 어렵다는 한계가있었습니다 2014년 한양애 연구팀이 탄소나노튜브를 이용한 고성능 생체연료전지를 개발해 이러한 문제를 해결할 가능성을 선보였습니다 탄소나노튜브는 튼튼하면서도 유연하고 만들기 쉽습니다 탄소나노튜브의 표면에 생체효소를 고정한 다음에 전극을 유연한 실 형태로 만들었습니다 평판형태의 전극을 사용하는 기존의 생체연료전지와는 달리 전극이 실 형태이기에 생체 내에 들어가기에 적당한 크기로 만들 수 있고 높은 전기전도성을 가지기에 생체 효소에서 만들어지는 전자를 잘 전달해서 전력 생산량을 높일수가 있고 화학적으로 안정한 특성을 가지고있습니다 이처럼 실모양으로 만들어진 생체연료전지는 체내에 삽입하는 의료기기뿐만 아니라 나노 로봇에도 안정적으로 전력을 제공할수있을것으로 기대됩니다 최근들어 생체 효소 없이도 실형태로 만들어진 탄소나노튜브만을 이용해서 전기에너지를 만들어내는 트위스트론이라고 불리는 기술이 등장했습니다 고무밴드를 심하게 고아서 만든 코일스프링 모양의 탄소나노튜브실을 전해질 안에서 잡아당길대 전기가 발생하는 현상입니다 탄소나노튜브를 고아서 만든 용수철 모양의 실을 잡아당길 때 발생하는 전기의 양이 어마어마했습니다 초당 30회 정도의 속도로 실을 잡아당겼다 놓았다를 반복할 때 만들어지는 전기의 양이 킬로그램당 250와트 수준이었는데 이는 태양광 패널 한 개와 맞먹는 수준의 엄청난 전기에너지입니다 신축성이 높은 실을 잡아당기면 실의 밀도가 증가하면서 부피는 줄어들게 됩니다 그러면 실의 표면에 있던 이온이 밖으로 밀려나게되지요 이온은 전하를 띠고있는 물질이기에 이온이 실 밖으로 밀려나면 이온이 가진 전하와 반대극성ㅇ르 가진 전하가 시르이 표면에 생겨나게 됩니다 결과적으로 실 내부에도 전하가 모이게 되는것이지요 이때 실에 저항을 달아서 전기가 흐를수있도록 길을 터주면 실에 저장된 전기에너지를 뽑아낼수가있습니다 트위스트론은 전해질 안에 들어가야지만 실 표면에 이온이 생겨나서 전기에너지를 만들어낼수있는데요 우리몸안의 혈액이나 체액과 같은 생체내 환경도 바닷물처럼 다량의 이온을 보유한 전해질이기에 트위스트론을 우리몸속에 넣으면 우리몸의 작은 움직임만으로도 큰 전기에너지를 수확할수있을것으로 예상하고 있습니다

 

인공근육은 주로 고무와 같이 부드러운 물질로 구성되어 전기나 열 온도와 같은 다양한 외부 자극에 반응합니다 이런 재료로 만들어진 인공근육이 외부자극에 반응해서 수축 팽창하거나 회전하는 모습은 인간의 움직임과 비슷하게 느껴지지요 이렇게 인간의 움직임을 닮은 인공근육의 재료로 많이 사용되고있는부드러운 물질중 하나는 하이드로젤입니다 일상에서 기저귀 콘택트렌즈 가슴보형물 화상치료밴등 다양한 분야에서 사용되고있죠 인체에 접촉하는 제품에 사용될정도로 하이드로젤은 인체에 무해한데요 내부에 물을 많이 함유하고있는 친수성고분자물질이기 때문입니다 무엇보다도 힘줄이나 뼈 인대와 같은 연부 조직 과 물리적인 특성이 가장 비슷한 물질입니다 주로 굽힌 운동이 가능한 부분에 적용하기위해 개발되고있습니다 온도나 산성도의 변화에 따라서 그 부피가 팽창하는 정도가 달라지는 특성ㅇ르 가지고있기 때문입니다 하이드로젤의 부피변화정도를 조절하면 사람의 팔에서 이두박근이 수축하고 삼두박근이 이완하면서 팔이 안쪽으로 굽혀지는것처럼 굽힘 운동을 하는 인공근육을 만들어낼수가있습니다 2016년도에는 포도당의 유무에 반응해서 움직이는 하이드로젤 인공근육이 개발되기도 했는데요 이 인공근육은 마치 사람의 포도당에서 에너지를 얻어 움직이는 것처럼 포도당이 주입되면 움직이게 됩니다 하이드로젤 인공근육 내부에 있는 보론산이 포도당을 만나 열이 발생하면 이 열로 인해 하이드로젤이 팽창하면서 움직임을 만들어내는것이지요 물리적 강도가 약하고 반응속도가 느립니다 하이드로젤은 물을 머금고 잇기에 충격이나 변화를 줄 경우에 쉽게 부스러지는 속성이 있습니다 그래서 생체 내에서 무거운 무게를 견디지 못하고 찢어질수이찌요 또 하이드로젤은 사람의 근육과 달리 열에 반응해서 움직이는 특성을 가지고있기에 반응속도가 느립니다

탄소나노튜브는 철보다 100배 강한 강도, 알루미늄보다 3배 가벼운 무게 구리와 비슷한높은 전기전도도 다이아몬드와 비슷한 높은 열전도도를 가지는 초고성능의 물질입니다 또 직경이 10나노미터이고 길이는 수백나노미터인 아주 작은 원통형 튜브입니다 나노사이즈의 탄소나노튜브를 수천 수만개 모아 다발로 엮어주면 탄소나노튜브로 이루어진 실을 만들 수 있습니다 이렇게 만들어진 탄소나노튜브실은 사람의 근육구조와도 아주 비슷한데요 사람의 근육은 여러 개의 근섬유가 모여 다발을 형성하고 잇고 각각의 근섬유에는 근세포들이 연결되어있습니다 근세포 하나하나의 움직임은 dsruehls 근섬유 가다긍로 전달되면서 증폭이 되고 이 근섬유들이 모여있는 근육은 큰 힘을 낼 수있게되지요 탄소나노튜브로 만든 인공근육도 전기나 습도의 변화와 같이 외부환경에 변화를 주면 작은 ᅟᅡᆫ소나노튜브하나하나의 반응이 더해져서 전체적으로 큰힘과 움직임을 만들어낼 수 있습니다 수천 수만개의 탄소나노튜브 다발로 이뤄진 실을 이온을 함유하고잇는 용액에 넣고 전기를 걸어주자 탄소나노튜브 각각의 부피가 증가해 시르이 꼬임이 풀리면서 모터와 같이 빠른 속도로 탄소나노튜브 실이 회전하는 현상을 관찰할 수 있습니다 이는 생체가 근육을 수축하는 방식과도 유사합니다 다른동물도 마찬가지인데 문어다리나 코끼리 코의 근육은 나선형으로 감겨있어서 수축할 때 다리나 코가 회전합니다

탄소나노튜브실을 더욱 꼬아서 용수철 코일과 같은 모양으로 만들어 전기를 걸어주거나 습도 온도에 변화를 주면 탄소나놑브 다발 사이의 거리가 멀어지면서 꼬임이 풀어지게 됩니다 용수철 코일 형태의 실은 실의 풀림이 길이 방향의 움직임으로 전환되기에 더큰 움직임을 만들어낼 수 있습니다 처음길이 대비 최대 25%까지 수축이 가능한데 이 정도의 움직임은 사람의 근육이 최대로 수축할 수 있는 정도와 비슷한 수준입니다 그러면서도 높은 강도와 가벼운 무게로 사람의 근육에 비해 40배 이상의 힘으로 물체를 들수있지요 

 

 

뇌를 자극하기 위해서 사용하는 전류는 직류와 교류 모두 가능합니다 하지만 그중에서 직류를 많이 사용합니다 경두개직류자극이 어떤 원리로 뇌를 조절하는지에 대해서는 여러 가지 가설들이 있습니다 신기하게도 경두개직류자극에 사용되는 두 개의 전극 중에서 양극 아래 뇌 부위는 활성도가 증가하고 음극 아래 뇌 부위는 활성도가 오히려 감소합니다 이런 원리를 이용하면 특정한 뇌 영역의 활성도를 올리거나 내려서 뇌질환을 치료하거나 뇌기능을 향상 시킬 수 있습니다 예를 들어 뇌활동의 억제가 필요한 뇌전증이나 중독질환은 뇌에 음의 전류를 흘려주고 반대로 뇌활동의 증가가 필요한 우울증이나 뇌졸중은 양의 전류를 흘려주면 치료 효과를 볼 수있습니다

최근에는 직류전류가 아닌 교류전류를 이용해서 뇌를 자극하는 연구가 활발히 진행되고있습니다 경두개교류자극은 두피에 한쌍의 전극을 붙인 다음에 특정한 주파수 예를 들면 10헤르츠의 주파수를 가진 미약한 교류를 흘려주면 10헤르츠의 뇌파를 유도할 수 있습니다

경두개직류자극보다 가격이 비싸고 이동성이 떨어지지만 더 정밀하게 뇌를 자극하는 방법은 자기장을 이용하는 것입니다 1903년 미국의 아드리안 폴락은 사람은 머리 위에 수백 번 감은 코일을 대고 자기장 펄스를 만들어주면 직접 전류를 흘리지 않아도 뇌에 전류를 흐르게 할수있다고 발표했습니다 최근에 뇌공학자들은 빛을 이용해 뇌를 자극할수있다는 사실에 주목하고있습니다 신경세포에 해조류에서 추출한 채널로돕신2라는 단백질을 바이러스 벡터를 dlyd해서 주입한 다음에 특정한 파장의 빛을 쪼이면 단백질이 발현된 신경세포의 활동을 마음대로 조절할수있다는 광유전효과가 발견됐기 때문입니다 전류나 자기장은 넓게 퍼지기에 자극하려는 부위 주변의 신경세포들도 함께 자극이 되지만 빛은 직진하기에 좁은 부위만을 선택해서 자극할수있지요 하지만 현재 기술로는 살아있는 사람의 뇌에 단백질이 부착된 바이러스를 주입하는 것이 매우 어렵기에 여러방식이 시도되고있습니디ㅏ 최근에는 음파를 사용해서되 뇌를 자극할수있다는 사실이 밝혀졌습니다 머리밖에서 초음파를 발생시켜 뇌의 한부위에 집중시키면 그 부위의 뇌활동을 유도할수있는데요 뇌공학자들은 뇌의 감각중추를 초음파로 자극해서 감각을 느끼게 하는 연구도 시작했습니다 이제 가상현실 상에서 아바타가 느끼는 감각을 사용자가 직접 느끼게 되는거죠 이처럼 우리뇌는 전자기장 빛 소리와 같이 외부자극에 반응을 합니다 이렇게 뇌에 물리적인 자극을 줘서 뇌질환을 치료하는 기술을 전자약이라고 합니다 약의 개념을 먹거나 주사를 맞는물질에서 신체에 자극을 가하는 기계로 확장하는것이지요

 

인간의 마음과 행동은 우리의 뇌와 신경계에 의해 조절됩니다 복잡한 신경계를 통해 사물을 인지하고 상황을 판단하면 우리몸의 근육을 수축하거나 이완하여 반응을 합니다 이런 신경계를 이루고있는 기본이 신경세포인 뉴런입니다 뉴런은 크게 핵을 가지고있는 세포체와 세포체 주변에 펼쳐진 수상돌기 세포체로부터 신호를 전달하는 축삭돌기로 이루어져있습니다 이 뉴런과 뉴런이 이어지면 서로간에 정보를 전달할수가있지요 어떤 뉴런에서 전기적 신경세포의 활성화가 일어나면 축삭돌기를 통해 이 정보가 전달됩니다 축삭돌기는 다른 뉴런의 수상돌기와 연결되어 정보를 전달하는데 이때 축삭돌기와 수상돌까 맞닿은 부분을 시냅스라고 합니다 시냅스에서 뉴런간의 정보 전달은 화학물질인 신경전달물질이 담당하게 되는데요 축삭돌기의 말단에서 신경전달물질이 시냅스로 분비되면 이 신경전달물질은 다음 뉴런의 수상돌기에 있는 수용체에 결합해 정보가 전달되게 됩니다 예를 들어 시골에 산길에서 독사를 보면 우리눈의 시신경 뉴런에서 세포의 활성화가 일어나고 이 정보는 축삭돌기를 통해 공포 중추인 편도체에 있는 뉴런의 수상돌기로 전달되지요 이때 축삭돌기의 시냅스에서는 감정에 중요한 역할을 한다고 알려져잇는 세로토닌이라는 신경전달물질이 분비되는데 이것이 편도체 뉴런의 수상돌기 수용체와 결합하면 우리가 무서움을 느끼고 도망갈 준비를 하게 된느것입니다 이처럼 신경전달물질은 뉴런 사이의 정보전달과정에서 중요한 역할을 하기에 뇌의 신경전달물질의 변화는 각종 뇌질환과도 밀접하게 연결이 되어있습니다 퇴행성 뇌질환인 파킨슨병은 전신경세포인 노파민 뉴런들의 퇴화로 인해 후신경세포의 수용체에도 퇴화가 일어나 도파민이 담당하는 정보전달이 원활하지 않게되어 생기는 질환입니다 따라서 도파민으로 변화되기 바로 직전의 화합물질인 레보도파를 투약해 노속의 도파민 생성을 늘려주어 증상ㅇ르 완화시키지요 레보도파를 투약하면 파킨슨 병으로 인해 생긴 느린 동작이나 떨림과 같은 증상이 완화됩니다 도파민을 예로 들어 설명했지만 인간의 뇌에는 100여개 이상의 신경전달물질이 존재하고 있고 뇌의 각 영역에서 다양한 신경전달물질과 수용체가 신경조절에 관여하고있기에 어떤 신경전달물질이 특정한 행동을 어떻게 조절하는지를 이해하는 것은 정말 중요합니다 그래서 뇌공학작들이 특정한 행동을 하는 동물의 뇌에서 분비되는 신경전달물질을 주구장창 실시간으로 측정하고있죠

 

동물의 뇌에서 신경전달물질의 변화를 실시간으로 측정하는 대표적인 방법에는 순환전압전류법이라는 것이 있습니다 순환전압전류법은 전기화학 분야의 산화 환원 반응을 이용하는것인데요 탄소로 만들어진 바늘 형태의 전극을 뇌에 집어넣고 전극에 특정한 전압을 가해주면서 전극에 흐르는 전류를 측정하는 방식입니다 탄소전극 근처에있는 도파민의 경우 전극전압이 0.6V가 되면 도파민이 산화되면서 전자를 방출하며 도파민 퀴논이라는 물질로 변하게 됩니다 이때 방출된 전자에 의해 전류가 발생하지요 따라서 실제 순환전압전류법에서는 탄소전극에 –0.4V전압에서 시작하여 1.0V까지 전압을 증가시켰다가 다시 차츰 감소시켜 –0.4V까지 내리면서 변하는 전류를 측정하게 됩니다 전압이 0.6V부근에이르면 도파민이 산화되면서 전류가 커지고 다시 전압-0.3V부근에 이르면 도파민퀴논이 다시 도파민으로 환원되면서 전류의 크기가 작아지게 됩니다 이렇게 전압에 따른 전류의 변화 패턴을 측정한 것을 볼타모그램이라고 하는데요 신경전달물질의 농도가 증가하면 산환-한원에 의한 전류변화가 비례하여 커지고 볼타모그램도 여기에 비례해 변화합니다 또한 신경전달물질의 종류에 따라 산화되고 환원되는 전압의 종류가 다르기에 볼타모그램을 관찰하면 신경전달물질의 종류를 구분할수있지요 이 순환전압전류법은 1초에 10번 이상 볼타모그램을 얻을수있기에 실시간으로 시냅스에서 빠르게 방출되었다가 다시 흡수되는 신경전달물질의 변화를 관찰합니다 순환전압전류법을 이용해서 실시간으로 도파민의 변화를 측정하는 방법은 주로 설치류나 영장류와 같은 실험동물을 대상으로 진행되어왔는데요 2016년 캐니쓰 키시다 교수는 이와달리 사람의 뇌에 탄소전극을 삽입하고 투자게임을 하면서 도파민을 측정하는 실험을 시도했습니다 이실험은 학습이나 판단에 중요한 역할을 하는 선조체라는 뇌부위에서 사람이 게임도중 마음속으로 예측했던것과 결과가 달라졌을 때 도파민의 양이 많아진다는 사실을 밝혀냅니다 한편 뇌과학적인 발견을 위해서 신경전달물질을 관찰하기도 하지만 뇌질환의 치료에 도움을 주기위해 신경전달물질을 측정하기도 하는데요 앞서 퇴행성 뇌질환인 파킨슨병은 도파민 신경의 퇴화로 인해 생겨난다고 했습니다 도판민의 변화를 실시간으로 추적해서 가장 효과가 높은 뇌자극을 주는 새로운 치료방법도 개발중입니디ㅏ

 

뇌파에는 서로 다른 주파수를가진 뇌신호들이 섞여있습니다 뇌파신호를 푸리에 변환이라는 방법을 이용해서 서로 다른 주파수로 분리하면 보다 풍부한 정보를 얻어낼 수 있습니다 이런 방법을 이용해서 기존에는 진단이 어려웠던 뇌질환인 우울증 주의력결핍장애 조현병 양극성장애 등을 뇌파로 진단하는게 가능해졌습니다 뇌파를 실시간으로 분석하면 뉴로피드백이라는 자가 뇌조절 장치를 만드는것도 가능합니다 사람의 뇌에서 측정되는 뇌파는 신경세포에서 발생하는 아주 약한 신경전류가 머릿속에서 흐르다가 두피에서 측정이 됩니다 사람의 뇌와 두피 사이에 놓여있는 두개골은 전류를 잘 흘리지 못하기에 측정되는 신호의 크기도 작아지고 신호에 왜곡이 생기기도 합니다 그런데 자기장의 경우는 좀 다릅니다 자석을 우리몸에 가져다 대면 자석에서 발생하는 자기장은 아무런 저항없이 우리몸을 통과합니다 그런데 신경세포가 만들어내는 신경전류가 우리 머릿속을 흘러갈 때 그 전류 주위에는 아주 미세하지만 자기장이 발생합니다 전류가 흐르는 전선 주위에 자기장이 생겨나는것과 마찬가지 원리지요 이처럼 신경세포에 의해서 발생하는 자기장을 신경자기장이라고 부릅니다 만약 이 신호를 잘 측정할수있다면 뇌활동을 관찰할수있겠지요 그런데 신경자기장은 크기가 너무나 작기에 일반적으로 쓰이는 자기장 센서로는 측정이 불가능합니다 크기가 얼마나 작은가 하면 지구에서 발생하는 지구자기장의 10억분의 1정도죠 이런 미세한 자기장을 측정할수있게 된 것은 조지프슨 효과라는 현상을 발견하면서부터였습니다 아주 민감한 자기장 측정 센서인 초전도 양자간섭장치를 만들 수 있어 이 공로로 1973년 불과 33살의 나이에 조지프슨은 노벨 물리학상을 수상합니다 1972년 MIT의 데이브트 박사는 초전도 양자간섭 장치를 이용해서 뇌에서 발생하는 신경자기장을 측정하는 뇌자도라는 장치를 만들어 냅니다 뇌자도는 뇌파에 비해서 훨신 정밀하기에 뇌질환을 진단할 때 정확도를 높일 수 있습니다 초전도체의 냉각을 위해서 Tmdsms 액체 헬륨은 시간이 지나면서 아주 조금씩 증발하기에 계속 보충해야 하는등 가격이 너무 비싸 널리 쓰이ㅣ는 않기에 새로운 신경자기장 측정 기술이 연구되고있습니다

 

뇌-기계 인터페이스는 뇌의 신경신호로 외부에 있는 컴퓨터나 기계를 제어하기위해 연결하는 인터페이스 기술을 뜻합니다 뇌속에 전극을 집어넣는 침습형 BMI기술은 먼저ㅓ 뇌속에서 뉴런의 전기적 활동을 측정하기 위한 전극이 필요합니다 여러개의 작은 바늘형태의 전극을 뇌 속에 삽입해 뉴런에서 나오는 전기적 신호인 활동전위 스파이크를 측정하기위해서이지요 전극들에서 스파이크 데이터를 측정하기위해서는 신경신호측정시스템도 필요합니다 이렇게 얻어진 데이터는 무선이나 유선 케이블을 통해 컴퓨터에 보내지고 이 컴퓨터에서 스파이크의 패턴을 분석하게 됩니다 스파이크 패턴을 분석할 때 사용하는 방법은 주로 집단부호화라는 이론에 바탕을 두고있는데 집단부호화란 우동이나 감각이 뉴런 하나하나가 아닌 뉴런의 집단이 만들어 내는 패턴을 통해 표현된다는 이론입니다 스파이크 패턴을 입력받은 컴퓨터는 여러개의 뉴런이 만들어내는 패턴을 분석해 움직임의 방향을 찾아냅니다 첫 번째는 조이스틱을 컨트롤하는 방법을 원숭이가 학습하고 두 번째로 타깃 영역 안으로 마우스 포인터를 움직이는 실험을 계속하게 도는데 이때 여러 채널의 전극으로부터 뉴런의 활동전위 스파이크를 측정하게 됩니다 이렇게 얻어진 뇌의 스파이크 데이터로부터 집단 패턴을 분석하면 조이스틱의 움직임 값을 예측해 낼 수 있습니다 세 번째 단계에서도 역시 원숭이에게 보상을 주면서 마우스 포인터 움직임 실험을 계속 시키는데 조이스틱 움직임90%와 스파이크 집단패턴으로 예측된 조이스틱 움직임 10%의 합으로 마우스 커서를 움직여주게됩니다 그리고 점차 신경신호 예측 움직임 비율을 조금씩 높여주는 것을 반복하면 결국 원숭이가 100%신경신호의 움직임 예측만으로 마우스 커서를 움직이게 됩니다 침습적 BMI기술은 2011년 사지마비 환자에게 처음 적용되었던 기술이었습니다 당시 58세의 사지마비 환자 허친슨씬느 머리에 심은 전극시스템을 통해 생각으로 로봇팔ㅇ르 움직여 보온병의 커피를 마실수있었는데요 여기에는 거울신경세포이론이 힘을 발휘했습니다 거울신경세포는 자신이 특정한 움직임을 수행할때와 다른 개체의 특정한 움직임을 관찰할 때 모두 활성화되는 신경세포입니다 사람에게 다른 사람의 팔이 움직이는 모습을 보여주면 실제 팔을 움직였을때와 비슷한 신경신호 스파이크 집단패턴이 발생하게 됩니다 이 거울신경세포 이론을 기반으로 사지마비 환자에게 다른 사람의 팔 움직임을 보여주고 이때 발생하는 신경신호를 측정해 환자의 손 움직임과 관련되 스파이크 집단패턴을 찾아낼수잇었던 것이지요 첨부터 잘 되지는 않지만 로봇팔이 움직인느 모습을 보면서 주구장창 훈련을 하게 되면 환자는 점점 자신의 생각만으로 스파이크 집단패턴을 정교하게 만들어 낼수있게 딥니다

 

루게릭 환자가 말기가 되도 눈동자는 움직일수있기에 말기에 의사소통을 할 수 있는 거의 유일한 방법은 눈동자의 움직임을 추적하는것입니디ㅏ 눈동자의 움직임을 추적하는 기술은 이미 개발돼잇는데 바로 안구 마우스라고 불리는 장치입니다 카메라로 눈동자를 추적하거나 안구전도라고 불리는 안구주위에서 측정되는 생체신호를 이용하면 눈동자의 움직임을 통해서 간단한 의사소통이 가능합니다 하지만 증상이 더욱 심해지면 눈동자를 움직이는것조차 힘들어지면 자신의 뇌를 이용하는방법밖에 없습니다

비달교수는 왼쪽-오른쪽-위-아래 위치에 놓인 네 개의 시각 자극 중 하나를 바라볼 때 어떤 자극을 보느냐에 따라 뇌파패턴이 달라진다는 사실을 활요해서 컴퓨터 화면의 커서를 위 아래 왼쪽 오른쪽으로 움직이는 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템을 구현했습니다 그리고 바통을 넘겨받은 차세대 BCI연구자는 독일 튀빙겐대학의 닐스 비르바우머 교수입니다 노벨 생리의학상 후보에도 오르내리는 그는 느린피질전위라는 뇌파에 주목했습니다 느린피질 전위(SCP)sms 뇌파가 몇 초동안 양극(+)이나 음극(-)을 띠며 천천히 변하는 현상ㅇ르 나타냅니다 전체적인 대뇌의 신경망조절기능을 반영합니다 중요한사실은 훈련을 통해서 사람이 SCP를 스스로 조절할수잇다는것입니다 예를 들어 SCP가 변함에 따라 모니터 위에 그려진 동그라미의 색깔이 변한다고 가정해볼 때 SCP가 양의 값을 가지면 동그라미의 색깔이 빨간색으로 변하고 음의 값을 가지면 파란색으로 변합니다 SCP의 절대값이 커질수록 더 진한 색을 나타내게 되죠

 

피부에 부착하는 혈당측정장치의 경우네는 다양한 파장의 빛을 귀나 손꾸락에 투과시켜 변화된 광학신호를 분석한는 방법으로 혈당을 체크합니다 콘택트렌즈 형태의 혈당측정장치는 눈물에 포함된 포도당의 농도를 통해 혈당을 추정하는 장치로 눈물의 포도당농도와 혈액의 포도당농도가 어느정도 비례하기에 가능한 기술입니다

 

최근에는 소프트웨어 외에도 디지털기술을 이용해 신경을 조절하는 신경조절 기술도 연구되고있스빈다 중추신경이나 말초신경계에 적은 에너지의 전기장 자기장 초음파 등을 가해서 신경계의 변화를 꾀하는 기술인데 수면조절 우울증 이명 통증 치료등에 활용합니다

최근 우울증 약에 반응하지 않는 우울증환자를 대상으로 말초신경인 미주신경을 자극하는 연구결과과 보고되었는데 200명의 우울증환자에게 10주간 미주신경을 자극하였더니 특정한 뇌 영역에서 신경전달물질의 변화가 유도돼서 우울증이 개선될수있엇습니다

 

의학기준은 대부분 서양의 성인을 기준으로 통계적인 방법을 통해 만들어진것이어서 개별적인 한 사람 한사람에게 최선의 치료는 아닙니다 예를 들어 우리가 진통제로 많이 사용하는 아스피린의 경우 인플루엔자나 수두에 감염된 적이 있는 아동에게는 치명적인 결과를 초래하고 감기에 걸렸을대 흔히 주구장창복용하는 해열제인 아세타미노펜(타이레놀)은 간기능이 약화된 환자의 경우 사망에 이르게 할 정도로 치명적입니다 이렇게 특수한 경우가 아니더라도 약에 대한 감수성은 개인의 유전적 요인, 사회적 요인, 환경적 요인에 의해서도 아주 다르게 나타납니ㅏ 예를 들어 알레르기에 의한 콧물약으로 사용하는 항히스타민제는 같은 양을 복용하는 경우에도 어떤 사람은 그냥 콧물이 멈추고 입이 약간 마르는 정도지만 어떤 사람에게는 중추신경계에 영향을 미쳐 참을 수 없는 졸음을 유발해 운전이 불가능할정도가 됩니다( 아까도 운전을 맘대로 하시는 분들이 있어서 당황했더랬죠 끼어들때는 거리도 좁을 때 급작스럽게 위험하게 껴들고 보는거랑 껴든후엔 또 속도 줄이는건 왜그러는걸까요 흑 도대체 왜? 위험하게 껴든것에 대한 보상심리로 속도를 줄이는 안전법???) 암튼 약물이 작용하는 수용기의 분포와 양이 사람마다 다르기 때문입니다

 

표적항암치료란 암세포의 유전자변형으로 비정상적으로 생겨난 단백질을 표적으로 인식해 암세포만 선택적으로 공격하는 약물치료로 약물은 주로 암세포 표면의 표젹 단백질에 작용하는 단클론 항체라는 것을 사용합니다 이들 약물들은 영어 약자인 mAb를 사용하여 ~맙이란 이름들을 가지고 잇는데 해당 암과 관련된 유전자를 사전에 분석할수잇다면 표적항암치료를 통해 암의 증식이나 재발을 막아줄 수 있습니다 예를 들어 림프종이나 백혈병 등의 혈액암의 원인되는 세포 표면에 CD20,CD30,CD52 등과 같이 과도하게 나타나는 단백질을 표적으로 하는 단클론항체 약물(리툭시맙, 브렌툭시맘, 알렌투주맘.....)을 정맥주사합니다 

 
 
 
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