손가락을 드는 것만큼 많은 일을 하려면 전기 신호가 뇌에서 손가락으로 이동할 수 있어야 한다. 뇌, 척수, 팔 등 이 경로를 따라 신경계에 문제가 있으면 손이 마비되어 더 이상 자발적으로 움직일 수 없게 된다.
미국에 거주하는 거의 2%의 사람들이 팔이나 다리에 일정 수준의 마비를 경험하지만, 신경과학의 획기적인 혁신 덕분에 우리는 오랫동안 영구적인 것으로 여겨졌던 마비의 형태를 되돌릴 수 있음을 보고 있다. 훨씬 더 흥미로운 돌파구가 눈앞에 있다.
두뇌 컴퓨터 인터페이스
작동 방식: 뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI)는 전자 장치를 사용하여 뇌에서 근육으로 명령을 전달하여 척수, 사지 또는 신경의 손상을 우회할 수 있다.
이 과정은 사람이 마비된 신체 부위를 움직일 생각을 할 때 뇌의 전기 신호를 감지하는 것으로 시작된다. 이것은 이식된 전극이나 뇌파(EEG) 캡을 사용하여 수행할 수 있다.
그런 다음 신호는 근육에 대한 명령으로 변환하는 컴퓨터로 전송된다. 이러한 신호는 영향을 받는 사지의 외부 또는 피부 아래, 근육 바로 위에 위치한 전극을 사용하여 근육에 전달된다.
현재 위치: BCI는 공상과학 소설이 아니다. 척수 손상으로 마비된 사람들의 팔과 다리 움직임을 실제로 복원하는 이러한 장치의 많은 예를 보았다. 그럼에도 불구하고 BCI는 마비를 되돌리기 위한 매우 실험적인 접근 방식이며 대부분 실험실의 소규모 시험으로 제한된다.
단점: 이식된 전극은 EEG 캡보다 침습적이지만 훨씬 더 높은 해상도로 뇌 신호를 기록할 수 있으므로 BCI가 생각을 명령으로 정확하게 변환하는 것이 더 쉽다.
그러나 흉터 조직은 임플란트 주위에 형성되는 경향이 있어 시간이 지남에 따라 신호 강도가 저하된다. BCI에 이식된 전극 전력이 본 가장 긴 기간은 7년이다.
전망: 여러 가지 유망한 임플란트 발전으로 BCI의 내구성을 확장하고 BCI를 실험실에서 환자에게 전달하는 데 도움이 될 수 있다.
기술 회사인 Synchron은 현재 "Stentrode"라고 하는 성냥개비 크기의 임플란트를 사람에게 시험하고 있다. 이 임플란트는 뇌의 혈관 내부에서 신호를 기록하도록 설계되어 이식 절차의 위험을 훨씬 줄이고 흉터 조직 문제를 제거한다.
케임브리지 대학에서 개발되고 생쥐에서 테스트된 새로운 임플란트는 전극과 살아있는 조직 사이에 줄기 세포 층을 배치한다. 이 세포는 임플란트가 배치되는 위치에 따라 뇌 세포, 척추 세포 또는 근육 세포가 되도록 프로그래밍할 수 있다.
공동 연구를 주도한 다미아노 바론(Damiano Barone) 연구원은 “전자기기와 생체 사이에 세포를 둠으로써 인체는 전극을 보지 않고 세포만 보기 때문에 흉터 조직이 생성되지 않는다”고 말했다.
Stentrode 임플란트. 이미지 출처: Synchron
척추 자극기
작동 방식: 척수 손상은 마비의 일반적인 원인이지만 손상 주변의 신호 경로를 완전히 변경하기 위해 항상 BCI가 필요한 것은 아니다.
척추 자극기는 척수의 신경에 정밀한 전기 자극을 전달한다. 이 일반적인 자극은 손상을 통과하는 모든 자연적인 뇌 신호를 강화하여 마비된 사지의 움직임을 복원하는 데 도움이 되는 것으로 보인다.
전극은 일반적으로 환자의 복부 또는 엉덩이 상단에 이식되는 배터리 팩에 연결된다. 자극은 일반적으로 태블릿과 같은 외부 장치에 의해 제어되며 다양한 활동에 맞게 조정될 수 있다.
현재 위치: 지난 10년 동안 척추 자극으로 마비를 역전시키는 데 상당한 진전이 있었고 일부 환자는 2014년에 하지의 일부 움직임을 회복했다.
이제 허리 아래가 마비되었던 척수 손상을 입은 최소 12명의 사람들이 스위스에서 개발된 척수 자극기 덕분에 다시 걸을 수 있다. 어떤 경우에는 이식 후 하루 만에 러닝머신에서 발을 딛을 수 있었다.
마비의 다른 원인에도 작용할 수 있다. 뇌졸중으로 인한 부분 마비가 있는 두 명의 환자는 카네기멜론대학교와 피츠버그대학교의 연구원들이 목에 삽입한 척수 자극기 덕분에 약간의 수의적 움직임을 회복할 수 있었다.
추가 이동성 중 일부는 연구가 종료되었을 때 임플란트를 제거한 후에도 몇 주 동안 유지되었다.
단점: 스위스 척수 자극기는 6cm 길이의 전극 배열을 사용한다. 요통을 치료하기 위해 고안된 척추 자극기는 바늘로 제자리에 삽입할 수 있지만 환자는 이 더 큰 장치를 이식하기 위해 침습 수술을 받아야 한다.
연구원들은 전극이 일단 자리를 잡으면 무한정 자극을 전달할 수 있어야 한다고 말하지만, 환자들은 복부에 이식된 배터리 팩을 구동하는 배터리 팩을 9년마다 교체하려면 수술을 받아야 한다.
뇌졸중 환자에게 사용하는 척추 자극기는 최소 침습 수술로 이식할 수 있지만 이식한 지 한 달도 안 돼 제거했기 때문에 장기적으로 얼마나 효과가 있을지 알 수 없다.
전망: 척추 자극기를 사용하여 마비를 역전시키는 것은 아직 새로운 영역이며 효능과 안전성을 입증하기 위해서는 더 큰 규모의 시험이 필요하다. 피츠버그 팀의 진행 중인 시험에는 13명이 더 등록할 것으로 예상되며 스위스 팀은 시험을 준비하고 있다. 50~100명의 참가자가 참여한다.
처음 두 참가자 중 한 명에게 이식 수술을 설명하는 피츠버그 실험의 연구원. 이미지출처: Tim Betler / UPMC / 피츠버그 대학교 보건 과학 학교
줄기 세포
작동 방식: 우리 몸에는 약 200가지의 서로 다른 유형의 세포가 있지만, 이들이 한 유형 또는 다른 유형으로 분화되기 전에 모두 줄기 세포로 시작되었다. 마비를 유발하는 부상 부위에 줄기 세포를 주입하면 손상된 조직을 재생하는 데 도움이 될 수 있다.
현재 위치: 2016년 스탠포드 대학의 작은 실험에서 뇌졸중 생존자의 뇌에 줄기 세포를 주입하면 운동 기능이 향상되어 휠체어를 탔던 일부 참가자가 걸을 수 있다는 사실이 밝혀졌다.
척추에 줄기 세포를 주입하면 척수 손상이 있는 일부 사람들의 마비를 성공적으로 역전시켰으며 선천적 결손 척추 이분증을 치료하는 데 사용되는 패치에 줄기 세포를 추가하면 어린이의 마비를 예방하는 데 도움이 되는 것으로 보인다.
단점: 줄기 세포 치료는 아직 실험적이며 일부 시험 참가자가 상당한 이동성을 얻는 것을 보았지만 동일한 시험의 다른 참가자는 거의 또는 전혀 이점을 보지 못했다. 요법은 단순히 신뢰할 수 없다.
일부 경우에, 환자들은 줄기 세포 치료 후 더 나쁜 위치에 놓이게 된다. 동물 모델에서 가능성을 보인 줄기 세포 이식 유형은 마비 환자에게 추가 통증을 유발하고 몇 년 후 척추에 양성 종양이 발생하게 했다.
"최악의 시나리오는 반드시 [줄기 세포 치료]가 효과가 없는 것은 아니다." 그의 주치의 중 한 명이자 뉴펀들랜드 메모리얼 대학의 방사선과 교수인 Nanette Hache는 2019년 STAT에 "종양 형성과 같은 다른 합병증이 있을 수 있다."고 말했다.
전망: 더 많은 연구를 통해, 어떤 유형의 세포를 사용할지, 어떤 용량으로, 언제 어떻게 투여할지 등 우리는 줄기 세포가 마비를 역전시키는 신뢰할 수 있고 안전한 방법이 되는 것을 방해하는 많은 질문에 답할 수 있을 것이다.
