출처: http://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/devices/researchers-invent-new-method-for-noninvasive-deep-brain-stimulation

전극을 뇌에 삽입하지 않고도 뇌 안쪽만 선별적으로 자극할 수 있는 관자놀이간섭법 개요도

When Edward Boyden and Nir Grossman at the MIT Media Lab in the spring of 2014 met for a brainstorming session, they made a list of every possible way one could artificially excite brain cells. They produced a long list that included variations on multiple types of energy—electric fields, ultrasound, magnets, light—each with significant drawbacks. But there was one promising method on the list that hadn’t been tried on the brain.

2014년 봄에 에드워드 보이덴과 니르 그로스만은 MIT 미디어랩에서 브레인스토밍을 하면서 '인공적으로 뇌세포를 자극하는 방법'의 목록을 적어내려갔다.  이들이 적은 목록에는 전기장, 초음파, 자석, 빛 등 여러 종류의 에너지가 포함되어 있었으며, 각각 저마다 현저한 단점을 안고 있었다. 하지만 그 중에는 지금까지 누구도 시도해보지 않은 방법이 하나 있었다.

They called it temporal interference—a take on electrical stimulation—and in a paper published today in Cell, they describe how they successfully used this method to selectively and non-invasively excite deep structures in the mouse brain. If it can be refined, the technique could be used as a research tool to better understand the brain’s neural circuits. It might also offer a non-surgical treatment option for people with central nervous system disorders such as Parkinson’s disease. 

이들은 해당 방법을 '관자놀이 간섭'이라고 명명했으며, 오늘 셀지에 게재된 논문에서 이들은 쥐 뇌의 심층구조를 어떻게 선별적으로 그리고 비침습적으로 자극하는데 성공했는지 기술했다. 만일 해당 기술을 좀 더 발전시킨다면 뇌의 신경회로를 이해하는데 유용한 도구가 될 것이다. 또한 파킨슨질환과 같은 중추신경계 질환을 가지는 환자들에게 있어 비수술 치료법으로 쓰일 수 있다.

For decades, researchers have been experimenting with electrical stimulation of the brain to do things like treat serious disease and improve athletic performance. The communication between neurons is, after all, just an electrical signal, and that activity can be induced or interrupted artificially by an external electrical pulse. The idea behind therapeutic electrical stimulation, or electroceuticals, is to get neural circuits firing in areas of the brain that might not be functioning optimally.

지난 수십년간 과학자들은 뇌에 전기자극을 가하여 심각한 질병을 치료하고 운동능력을 향상시키기 위해 시도를 해왔다. 어차피 신경 간 통신은 전기신호로 이루어지기 때문에 외적 전기펄스를 이용하여 신경의 활동을 유도하거나 중지시킬 수 있다. 전기자극차료의 주요 개념은 정상적으로 작동하지 않는 뇌의 특정 부분에 신경회로를 점화시키는데 있다.

The most advanced and precise method—deep brain stimulation—involves surgically implanting electrodes in the brain. The technique is known to ameliorate symptoms of Parkinson’s disease and obsessive compulsive disorder, and researchers have experimented with using it to treat other conditions such as depression and epilepsy. But it can be hard to justify such an invasive surgical procedure for less serious conditions.

현재 가장 첨단적이면서 정확한 자극법은 심뇌자극법으로 뇌에 전극을 삽입하는 방법이다. 해당 방법은 파킨슨질환의 증상과 강박장애를 완화시켜주는 것으로 알려져 있으며, 많은 과학자들이 해당 방법을 통하여 우울증이나 간질 같은 기타 질환을 치료하기 위해 실험을 진행 중에 있다. 하지만 질환을 완화시켜준다고 해도 수술로 전극을 뇌에 삽입하는 행위는 정당화하기가 매우 어려운 방법이다.

There’s a non-invasive technique called transcranial direct current stimulation (tDCS), in which electrodes are placed on the scalp. Researchers, companies, and even DIY brain hackers have been experimenting with the method in an attempt to treat disease and improve skills. But this non-invasive approach lacks specificity. The electric fields tend to activate everything in their path. So if the pulses are aimed at a deep brain structure such as the hippocampus, they’re likely to activate more superficial structures along the way as well.

현재 '경두개직류자극'이라고 불리는 비침습적인 뇌자극법이 존재하는데, 이 방법에서는 전극을 두피에 설치한다. 과학자과 기업뿐만 아니라 아마추어 '브래인 해커'들조차도 이 방법을 가지고 질환을 치료하거나 능력을 개선하기 위해 시도하고 있다. 하지만 경두개직류자극법은 뇌를 선별적으로 자극할 수 없다는 단점이 있다. 전극에서 발생하는 전기장이 자신이 통과하는 경로 주변에 위치한 모든 뇌세포를 구별없이 자극하기 때문이다. 때문에 이 방법을 가지고 해마처럼 뇌 깊숙한 곳에 있는 구조체를 자극하려 할 경우 그 위에 있는 상부구조체 전부가 자극을 받는다.

Boyden and Grossman wanted to activate deep brain structures without stimulating the overlying tissue. And they wanted to do it without surgery. So they engineered the electrical fields to exploit the physical properties of neurons. 

에드워드 보이덴과 니르 그로스만은 상부조직을 자극하지 않으면서 심뇌 구조체만 선택적으로 자극할 수 있기를 원했다. 그것도 수술 없이 말이다. 이 때문에 이들은 신경이 가지는 물리적 속성을 이용하도록 전기장을 설계했다.

Neurons typically don’t respond to high frequency electric signals. But they do respond to low frequency signals. Boyden and Grossman hypothesized that if they sent to a deep brain target two high frequency signals that differed by a small amount, the signals would pass through the more superficial tissues of the brain. When these signals interfered with each other at the target, they would create a field with an amplitude that oscillates at a frequency equal to the small difference between the two high frequency signals. That electrical wave would be low enough to engage neurons.

신경은 일반적으로 고주파 전기신호에 반응을 하지 않으며, 저주파 전기신호에만 반응한다. 에드워드 보이덴과 니르 그로스만은 만일 뇌 깊숙한 곳에 있는 목표에 주파수 차이가 약간 밖에 안 나는 두 개의 고주파 신호를 흘려보낸다면 해당 신호들은 뇌의 상부구조체를 그냥 통과할 것이라고 생각했다. 하지만 이 두 신호들이 목표에 도달하면 서로 간에 간섭을 일으켜 두 개의 고주파 전기신호 간 주파수 차이만큼 진동하는 전기장이 만들어질 것이다. 이렇게 만들어진 전기장은 신경을 자극시킬 수 있을 정도로 충분히 낮은 저주파 전기신호를 만들어낼 것이다.

For example, if they send two high frequency signals—one at 2000 hertz (Hz) and the other 2010 Hz—to a target in the brain, the signals at that point will interfere with each other, creating an electrical wave that oscillates at the difference frequency of 10 Hz. That’s low enough for neurons to follow. The 10 Hz signal only reaches neurons at the point of interference: a pocket of tissue where the amplitude change is created. All the other superficial brain tissue through which the high frequency signals passed remain unaffected.

예를 들어서 뇌의 특정한 목표에 두 개의 고주파 신호를 보낸다고 해보자. 하나는 2,000Hz짜리이고 다른 하나는 2,010Hz짜리이다. 이 두 고주파 신호들이 목표에 도달하면 서로 간에 간섭을 일으켜 주파수 차이인 10Hz로 진동하는 전기파가 생성된다. 이는 신경을 자극하기 충분히 낮은 주파수이다. 이 10Hz짜리 전기신호는 간섭지점에 위치한 신경들만 자극하며, 그 주변의 상부 뇌조직은 고주파 전기신호가 지나가기 때문에 아무런 영향을 받지 않는다.

Boyden and Grossman tested their temporal interference concept in living mice. Using electrodes placed on the rodents’ heads, they excited neurons in the hippocampus. In a separate experiment, they targeted neurons in the cortext and induced movement in the rodents’ ears, paws and whiskers. Using a detection technique called c-fos labeling, they confirmed that the signals stimulated only the target areas of the brain in the hippocampus, and not the overlying regions such as the cortex. 

에드워드 보이덴과 니르 그로스만은 자신들이 개발한 관자놀이간섭법을 살아있는 쥐를 상대로 실험했다. 한 실험에서 이들은 쥐의 머리에 장착한 전극을 가지고 해마 신경을 자극하는데 성공했다. 또 다른 실험에서는 뇌피질에 있는 신경을 자극하여 쥐의 귀, 턱, 수염을 움직이는데 성공했다. 이른바 C-FOS 라벨링이라고 불리는 기법을 사용하여 이들은 자신들이 쏘아보낸 전기신호가 정확히 해마의 특정 지점만을 자극하였으며, 피질과 같이 다른 뇌영역은 아무런 자극을 받지 않았음을 확인했다.

The researchers admit they aren’t sure exactly how temporal interference works. “My theory is that the neurons act kind of like an AM radio,” says Boyden. In AM radio, the announcer’s voice goes through the air on a high frequency signal, and when the receiving radio picks it up, it extracts the low frequency—the announcer’s voice—for the listener to hear. “We think the brain works like that. You transmit two high frequency signals and the neurons will extract the low difference frequency, which drives their activity,” says Boyden.

연구진은 자신들도 관자놀이간섭법이 정확히 어떻게 작동하는지 잘 모른다고 시인한다. "저는 이 신경들이 마치 AM라디오처럼 기능한다고 생각합니다"라고 에드워드 보이덴은 말했다. AM 라디오에서는 아나운서 목소리가 고주파 신호에 실려서 공기를 타고 이동하다가, 라디오 수신기에 잡히면 사람이 들을 수 있는 저주파 신호(아나운서의 목소리)로 바뀐다. "일단 저희 생각에는 뇌가 일종의 AM라디오처럼 작동하는 것 같습니다. 때문에 고주파 신호 2개를 쏘아주면 신경세포들이 거기에서 저주파 신호를 추출해서 자극을 받는 것이지요"라고 에드워드 보이덴은 말한다.

The stimulation delivered by the temporal interference method isn’t as precise as deep brain stimulation in which electrodes are surgically placed in the brain. That’s something the researchers are going to work on next. “We need to make it more focal,” says Boyden. “The volumes of brain that we activate are much bigger,” than those activated by implanted electrodes, he says. “But I think we can trim that by additional mathematics and engineering.”

하지만 관자놀이간섭법으로 하는 전기자극은 전극 삽입을 통한 뇌 자극보다 정확하지 않다. 따라서 앞으로도 개선해야 할 여지가 많다고 할 수 있다. "신호를 좀 더 집중해야 할 필요가 있습니다"라고 에드워드 보이덴은 말했다. "관자놀이간섭법이 자극하는 뇌 영역은 이식된 전극이 자극하는 뇌 영역보다 훨씬 넓습니다". "하지만 수학모델과 기기를 개선하면 자극되는 뇌영역을 좀 더 좁힐 수 있을 것으로 생각합니다"라고 그는 덧붙였다.

Boyden and his team plan to experiment with the configuration of the electrodes, the number of electrodes, and the frequencies. They also want to test the technique on human volunteers, and have begun planning that study.

“If we can non-invasively stimulate deep parts of the brain, we can better understand how the brain works, and we can also help patients without the need for surgery,” Boyden says.

에드워드 보이덴과 그 연구팀은 전극의 형태, 전극의 수, 전기신호 주파수 등을 가지고 실험을 진행 중에 있으며, 또한 인간 지원자들을 대상으로 실험을 할 계획이다.
"만일 뇌의 깊은 부분을 비침습적으로 자극할 수만 있다면, 우리는 뇌가 어떻게 작동하는지 더 잘 이해할 수 있을 것이며, 또한 수술을 하지 않고도 환자들을 도울 수 있을 것입니다"라고 에드워드 보이덴은 말했다.