경추 척수손상으로 사지가 마비됐던 환자가 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 기반으로 한 신경보철(neuroprosthesis) 시스템을 통해 스스로 식사할 수 있게 됐으며, 촉각을 일부 회복했다. 특히 기기를 사용하지 않는 상태에서도 운동 기능과 촉각의 일부 회복 효과가 장기간 유지되는 것으로 나타나, 중증 척수손상 치료의 새로운 가능성을 제시했다.
미국 뉴욕에 거주하는 키이스 토머스(48)는 2020년 7월 수영장에서 다이빙을 하다 목을 크게 다쳐 경추 척수손상을 입었다. 병원에서 의식을 되찾았을 때는 몸을 전혀 움직일 수 없는 상태였다. 그는 2021년 미국 파인스타인 의학연구소가 진행한 임상시험에 참여했다.
이번 연구에서 개발된 시스템은 뇌 신호를 읽어 움직임을 구현하는 기존 BCI에 척수와 대뇌피질을 표적으로 자극하는 신경조절 기술을 결합한 ‘이중 신경 우회술(Double Neural Bypass, DNB)’이다. 연구진은 운동피질에 이식한 전극으로 사용자의 손 움직임 의도를 실시간으로 해독한 뒤, 신경근 전기자극 장치와 보조기를 작동시켜 환자의 손 움직임을 구현하도록 했다. 이와 함께 척수와 감각피질에 일정한 패턴의 자극을 가해 신경가소성과 장기적인 감각 및 운동 기능 회복을 유도했다.
토머스는 연구 시작 당시 팔을 휠체어 팔걸이에서 거의 들어 올리지 못했고 손가락을 자발적으로 움직일 수 없었다. 이후 35주간의 훈련을 거치면서 오른쪽과 왼쪽 팔의 근력 평가 수치가 각각 86%와 62% 향상됐다. DNB 시스템을 사용한 상태에서는 스스로 음식을 먹고 컵으로 물을 마셨으며 얼굴까지 손을 가져갈 수 있게 됐고, 깨지기 쉬운 빈 달걀 껍질을 집어 옮기는 정밀 동작도 수행했다.
촉각 회복을 위해서는 손과 손가락, 엄지의 압력 센서가 감지한 접촉 정보에 따라 감각피질을 미세 자극하는 ‘피질 미러링(cortical mirroring)’ 기술을 적용했다. 이 기술은 촉각과 관련된 뇌 활동 패턴을 이용해 감각피질을 미세 자극하도록 설계됐다. 그 결과 감각이 저하돼 있던 오른쪽 손목에서 더 약한 압력도 감지할 수 있게 됐으며, 이는 자극을 중단한 뒤에도 2개월 이상 지속됐다.
연구진은 DNB가 기기를 작동하는 동안 손 움직임과 촉각 피드백을 제공하는 데 그치지 않고, 기기를 사용하지 않을 때에도 팔 기능과 감각의 일부 향상이 지속될 가능성을 보여줬다고 설명했다.
연구를 이끈 채드 부턴 파인스타인 의학연구소 교수는 “움직임과 촉각을 회복시키고 그 효과를 지속시키는 것이 오랜 목표였다”며 “이번 결과는 매우 의미 있는 진전이며, 앞으로 이 기술이 전 세계 수백만 명의 마비 환자에게 적용될 가능성이 있다”고 말했다.
다만 연구진은 이번 연구가 환자 1명을 대상으로 한 임상시험인 만큼, 회복 효과의 지속 기간과 적용 범위를 확인하려면 추가 연구가 필요하다고 밝혔다.
척수는 뇌에서 발생한 신경 신호를 신체 각 부위로 전달하는 통로다. 척수가 손상되면 손상 부위 아래의 운동 기능과 감각이 소실될 수 있으며, 완전 척수손상에서는 자발적인 움직임과 감각 회복이 매우 어려운 것으로 알려져 있다.
해당 연구 결과는 국제학술지 《네이처 메디신(Nature Medicine)》에 ‘A neuroprosthesis for restoring hand movement and sensation in a person with complete tetraplegia’라는 제목으로 게재됐다.
[자주 묻는 질문]
Q1. 이번 연구에서 개발된 이중 신경 우회술(Double Neural Bypass)은 무엇인가요?
A. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 척수·대뇌피질 신경조절 기술을 결합한 신경보철 시스템이다. 환자의 운동 의도를 실시간으로 해독해 손 움직임을 구현하는 동시에 척수와 감각피질을 자극해 신경가소성을 촉진하고, 장기적인 운동 및 감각 기능 회복을 유도한다.
Q2. 환자는 어떤 기능을 회복했나요?
A. 35주간의 훈련 후 오른팔과 왼팔의 근력 평가 수치가 각각 86%, 62% 향상됐으며, 스스로 식사하고 컵으로 물을 마실 수 있게 됐다. 또한 빈 달걀 껍데기를 다룰 정도의 정밀한 손동작과 오른쪽 손목의 촉각도 일부 회복했다.
Q3. 이 기술은 곧 일반 환자 치료에 적용될 수 있나요?
A. 아직은 어렵다. 이번 연구는 만성 완전 사지마비 환자 1명을 대상으로 수행된 초기 임상 연구로, 다양한 유형의 척수손상 환자에서도 효과와 안전성을 확인하기 위한 추가 임상시험이 필요하다.
