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[BCI] 엔지니어, 외과의 및 의료 연구원으로 구성된 팀은 새로운 뇌 센서 어레이가 기록적인 세부 사항으로 인간 뇌 표면에서 직접 전기 신호를 기록할 수 있음을 보여주는 인간과 쥐의 데이터를 발표했다.새로운 뇌센서는 1,024개 또는 2,048개의 내장형 ECoG(Electrocorticography)센서로 구성된 조밀하게 채워진 그리드를 특징으로 한다. 뇌 표면의 전기 신호를 고해상도로 기록하면 뇌종양을 제거하고 간질을 치료하는 외과의의 능력을 향상시킬 수 있으며 중장기 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)에 대한 새로운 가능성을 열 수 있다.

https://scitechdaily.com/human-brain-signals-recorded-in-record-breaking-resolution-by-new-sensor-grids/

JM Kim | 기사입력 2022/01/21 [00:00]

[BCI] 엔지니어, 외과의 및 의료 연구원으로 구성된 팀은 새로운 뇌 센서 어레이가 기록적인 세부 사항으로 인간 뇌 표면에서 직접 전기 신호를 기록할 수 있음을 보여주는 인간과 쥐의 데이터를 발표했다.새로운 뇌센서는 1,024개 또는 2,048개의 내장형 ECoG(Electrocorticography)센서로 구성된 조밀하게 채워진 그리드를 특징으로 한다. 뇌 표면의 전기 신호를 고해상도로 기록하면 뇌종양을 제거하고 간질을 치료하는 외과의의 능력을 향상시킬 수 있으며 중장기 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)에 대한 새로운 가능성을 열 수 있다.

https://scitechdaily.com/human-brain-signals-recorded-in-record-breaking-resolution-by-new-sensor-grids/

JM Kim | 입력 : 2022/01/21 [00:00]

새로운 뇌 센서 어레이는 기록적인 세부 사항으로 인간 뇌 표면에서 직접 전기 신호를 기록할 수 있다. 새로운 뇌 센서는 1,024개 또는 2,048개의 내장형 전기피질검사(ECoG) 센서로 구성된 얇고 유연하며 조밀하게 채워진 그리드를 특징으로 한다. 이미지출처: David Bailot / UC 샌디에고 제이콥스 공과 대학

 

뇌 표면의 전기 신호를 고해상도로 기록하면 뇌종양을 제거하고 간질을 치료하는 외과의의 능력을 향상시킬 수 있으며 중장기 뇌-컴퓨터 인터페이스에 대한 새로운 가능성을 열 수 있다.

 

엔지니어, 외과의 및 의료 연구원으로 구성된 팀은 새로운 뇌 센서 어레이가 기록적인 세부 사항으로 인간 뇌 표면에서 직접 전기 신호를 기록할 수 있음을 보여주는 인간과 쥐의 데이터를 발표했다. 새로운 뇌 센서는 1,024개 또는 2,048개의 내장형 ECoG(Electrocorticography) 센서로 구성된 조밀하게 채워진 그리드를 특징으로 한다. 이 논문은 2022 1 19 Science Translational Medicine 저널에 게재되었다.

 

이 얇고 유연한 ECoG 센서 그리드는 임상 용도로 승인되면 현재 사용 가능한 것보다 100배 더 높은 해상도로 뇌 피질 표면에서 직접 뇌 신호 정보를 제공하게 된다. 뇌 표면 또는 대뇌 피질에 있는 조직의 특정 영역이 활성화되어 있고 언제 뇌종양을 제거하고 약물 내성 간질을 외과적으로 치료하기 위한 수술을 계획하는 데 더 나은 지침을 제공할 수 있는지에 대한 이 매우 상세한 관점에 액세스할 수 있다.

 

장기적으로 팀은 난치성 간질이 있는 사람들을 위해 최대 30일 동안 뇌를 모니터링하는 데 사용할 수 있는 고해상도 ECoG 그리드의 무선 버전을 개발하고 있다. 이 기술은 또한 파킨슨병, 본태성 떨림, 근긴장이상(dystonia)이라는 신경학적 운동 장애와 같이 전기 자극으로 치료할 수 있는 마비 또는 기타 신경 퇴행성 질환을 앓고 있는 사람들의 삶의 질을 향상시키기 위한 영구 이식의 가능성을 보유하고 있다.

 

이 프로젝트는 캘리포니아 대학교 샌디에이고 제이콥스 공과 대학의 전기 공학 교수 Shadi Dayeh가 주도한다.

 

 

애니메이션은 "다중 채널 PtNRGrids로 시공간 역학을 해결하는 인간 두뇌 매핑"이라는 제목의 Science Translational Medicine 논문에 설명된 고해상도 뇌 센서의 사용 사례를 보여준다. 2022 1 19일에 게시됨. 비디오는 두 번 재생된다. 한 번은 텍스트 레이블이 있고 한 번은 깨끗한 애니메이션이 있다. 출처: Angelique Paulk, Ahmed Raslan, Daniel Cleary, Youngbin Tchoe, Shadi Dayeh

 

차세대 전기피질검사

 

뇌 전기피질검사(ECoG)의 표면에 직접 배치된 센서 그리드에서 뇌 활동을 기록하는 것은 이미 약물이나 다른 치료법에 반응하지 않는 사람들의 뇌종양을 제거하고 간질을 치료하는 절차를 수행하는 외과의사가 도구로 일반적으로 사용하고 있다. Science Translational Medicine의 새로운 연구는 1,024개 또는 2,048개의 센서가 있는 그리드를 사용하여 인간과 쥐 모두의 뇌 표면에서 직접 전기 신호를 안정적으로 기록하고 처리할 수 있음을 보여주는 광범위한 동료 검토 데이터를 제공한다. 비교를 위해 오늘날 수술에서 가장 일반적으로 사용되는 ECoG 그리드에는 일반적으로 16~64개의 센서가 있지만 256개의 센서가 있는 연구 등급 그리드는 맞춤 제작할 수 있다.

 

이러한 고해상도로 뇌 신호를 기록할 수 있다는 것은 건강한 뇌 조직의 손상을 최소화하면서 가능한 한 많은 뇌종양을 제거하는 외과의사의 능력을 향상시킬 수 있다. 간질의 경우 더 높은 해상도의 뇌 신호 기록 능력은 외과의가 간질 발작이 시작된 뇌 영역을 정확하게 식별하는 능력을 향상시킬 수 있으므로 발작 개시와 관련이 없는 가까운 뇌 영역을 건드리지 않고 이 영역을 제거할 수 있다. 이러한 방식으로 이러한 고해상도 그리드는 정상적인 기능을 하는 뇌 조직의 보존을 향상시킬 수 있다.

 

수천 개의 센서가 있는 ECoG 그리드가 잘 작동함을 시연하면 인간 두뇌가 어떻게 기능하는지 더 깊이 이해할 수 있는 신경과학의 새로운 기회가 열린다. 기초 과학의 발전은 차례로 뇌 기능에 대한 향상된 이해에 기반을 둔 개선된 치료로 이어질 수 있다.

 

 

새로운 뇌 센서 어레이는 기록적인 세부 사항으로 인간 뇌 표면에서 직접 전기 신호를 기록할 수 있다. 새로운 뇌 센서는 1,024개 또는 2,048개의 내장형 전기피질검사(ECoG) 센서로 구성된 얇고 유연하며 조밀하게 채워진 그리드를 특징으로 한다. 이미지 출처: David Bailot / UC 샌디에고 제이콥스 공과 대학

 

1밀리미터 대 1센티미터 간격

 

더 높은 해상도로 뇌 신호를 기록할 수 있었던 것은 근처 센서 간에 문제가 있는 간섭을 일으키지 않고 개별 센서를 서로 상당히 가깝게 배치할 수 있었던 팀의 능력 때문이다. 예를 들어, 1,024개의 센서가 있는 팀의 3cm x 3cm 격자는 암이나 간질과 관련하여 이미 예정된 뇌 수술의 "정지 시간" 동안 이 프로젝트에 참여하기로 동의한 19명의 뇌 조직에서 직접 신호를 기록했다.

 

이 그리드 구성에서 센서는 서로 1밀리미터 떨어져 있다. 대조적으로이미 임상용으로 승인된 ECoG 그리드에는 일반적으로 1센티미터 간격으로 배치된 센서가 있다. 이것은 임상적으로 사용되는 그리드의 단위 면적당 1개의 센서와 비교하여 새로운 그리드에 단위 면적당 100개의 센서를 제공하여 뇌 신호 해석에서 100배 더 나은 공간 분해능을 제공한다.

 

백금 나노 막대로 만든 센서

 

뇌에 있는 뉴런의 전기적 활동을 기록하기 위해 백금 기반 센서를 사용하는 것이 새로운 것은 아니지만 연구팀은 새로운 방식으로 백금을 사용하고 있다. 바로 나노 규모의 백금 막대이다. 나노 막대 모양은 평평한 백금 센서보다 더 많은 감지 표면적을 제공하여 센서를 더 민감하게 만드는 데 도움이 된다. 감지 시스템은 백금 나노 막대의 전자 수가 뇌에서 발화하는 뉴런에 반응하여 변한다는 사실에 기반한다.

 

하전된 이온은 발화할 때 뉴런 안팎으로 이동한다. 이러한 하전 이온의 이동은 뉴런이 잠긴 뇌척수액의 전위 변화를 유발한다. 이러한 뇌 조직 및 뇌척수액 전위의 변화는 전하 스크리닝 과정을 통해 백금 나노 막대의 전자 인구 수를 변경한다. 이러한 방식으로, 대뇌 피질 표면 또는 근처에서 뉴런의 발화는 백금 나노막대에 의해 거의 실시간으로 고정밀로 기록된다.

 

 

다양한 크기의 얇고 유연한 센서 그리드

 

인간의 뇌는 항상 움직인다. 예를 들어, 심장 박동이 있을 때마다 뇌는 맥동하는 혈액을 따라 움직인다. 백금 나노로드 기반 센서 그리드는 오늘날 임상적으로 승인된 ECoG 그리드보다 더 얇고 유연하다. 얇음과 유연성으로 인해 센서 그리드가 뇌와 함께 움직일 수 있으므로 더 긴밀한 연결과 더 나은 판독이 가능하다. 또한 그리드는 뇌척수액이 통과할 수 있는 작은 링 모양의 구멍으로 제조된다. 이러한 방식으로 이러한 관류 구멍은 센서가 유체를 쉽고 안전하게 변위할 수 있도록 하여 센서 그리드와 뇌 표면 사이의 더 나은 인터페이스를 지원한다.

 

새로운 백금 나노 막대 뇌 센서 그리드는 두께가 10마이크로미터로 사람 머리카락 크기의 약 10분의 1이고 임상적으로 승인된 1밀리미터 두께의 ECoG 그리드보다 100배 더 얇다. 나노 막대는 뇌 표면과 직접 접촉하는 파릴렌이라는 투명하고 부드럽고 유연한 생체 적합성 물질에 내장되어 있다. 전기 신호는 뇌에서 뇌척수액을 통해 이동하여 파릴렌 내에 움푹 들어간 백금 나노 막대의 노출된 표면에 도달한다. 이 디자인은 뇌 표면과 밀접하고 안정적인 연결을 형성하여 신호 품질을 개선하는 센서 그리드를 생성한다.

 

사용된 제조 공정은 또한 다양한 크기와 모양을 허용하여 더 크고 더 맞춤화된 피질 범위를 위한 새로운 가능성을 열어준다. 동시에 뇌의 더 넓은 영역에서 신호를 수집하면 뇌의 신비를 더 많이 풀 수 있다.

 

UC 샌디에이고의 전기공학 교수 Dayeh가 이끄는 엔지니어와 Oregon Health & Science University의 신경외과 의사인 Ahmed Raslan이 이끄는 임상의 간의 긴밀한 협력을 통해 팀은 임상 용도에 맞게 특별히 설계된 설계 개선 사항을 구현했다. 예를 들어, 맞춤형 센서 그리드는 외과의가 정확한 위치에 프로브를 삽입하고 특정 위치의 뇌 조직에 직접 전기 자극을 가할 수 있도록 하는 특수 구멍으로 인쇄할 수 있다. 임상 사용을 위해 승인된 고해상도 ECoG 그리드를 목표로 Dayeh, Raslan 및 공동 제1저자인 Youngbin Tchoe Precision Neurotek Inc.라는 스타트업을 공동 설립했다.

 

 

새로운 뇌 센서 어레이는 기록적인 세부 사항으로 인간 뇌 표면에서 직접 전기 신호를 기록할 수 있다. 새로운 뇌 센서는 1,024개 또는 2,048개의 내장형 전기피질검사(ECoG) 센서로 구성된 얇고 유연하며 조밀하게 채워진 그리드를 특징으로 한다. 이미지 출처: David Bailot / UC 샌디에고 제이콥스 공과 대학

 

보다 정확한 기능 매핑

 

뇌종양 제거의 어려움 중 하나는 종양의 존재가 뇌의 어떤 영역이 어떤 기능에 관여하는지를 포함하여 뇌의 변화를 유발한다는 것이다. 이러한 변경으로 인해 외과 팀은 가능한 많은 종양을 제거하면서 절단할 위치와 절단하지 말아야 할 위치를 결정하기 위해 환자의 뇌에 대한 개인화된 지도인 "기능적 지도"를 만드는 것이 중요하다.

 

Science Translational Medicine 논문의 저자는 백금 나노 로드 ECoG 센서를 사용하여 이러한 기능 맵을 매우 정밀하게 만들 수 있음을 보여주었다. 특히, 팀은 중심 고랑이라고 불리는 뇌 경계의 4명의 다른 사람에 대한 기능 지도를 개발했다. 중심 고랑은 체성감각 피질에서 뇌의 체성운동 피질을 나눈다. 4명의 개인에서 연구자들은 피험자의 뇌 표면에 백금 나노 막대 그리드를 놓고 손을 잡는 것을 포함하여 여러 활동을 하도록 요청했다. 이 정보를 바탕으로 연구원들은 뇌에서 이 핵심 랜드마크의 실제 위치와 손가락 감각과 손 잡기에 해당하는 뇌의 신경 상관 관계를 재구성했다. 백금 나노 막대 그리드의 결과는 이미 임상 용도로 승인된 저해상도 ECoG 그리드의 결과와 일치하지만 이 중요한 기능적 경계가 체성 운동 피질과 체성 감각 피질 사이의 정확한 위치에 대해 더 정확하다. 각 환자의 뇌에 고유한 새롭게 묘사된 곡선 기능 경계는 오늘날의 1센티미터 간격의 임상 그리드에서 결정되는 종종 외삽 및 선형 경계보다 우수하다.

 

신경과학 통찰력

 

쥐에 대한 연구에서 팀이 새로 발표한 데이터 중 일부는 기본적인 신경과학 연구에서 새로운 길을 열기 위한 그리드의 유용성을 보여준다. 예를 들어, Science Translational Medicine 논문에는 연구자들이 뇌 표면 기록에서 쥐의 피질 기둥을 처음으로 매핑한 것이라고 믿는 내용이 포함되어 있다. 과거에는 대뇌 피질 기둥의 매핑이 뇌 표면에 개별 바늘을 배치하고 뇌 표면을 가로질러 바늘의 순차적인 전기 자극 및 움직임에 의해서만 수행되었다. 더 일반적으로, 백금 나노 막대 그리드가 시간과 공간 모두에서 고해상도 데이터를 제공한다는 사실은 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 지식을 발견할 수 있는 많은 새로운 가능성을 열어준다.

 

새로운 그리드에 의해 가능해진 또 다른 관찰은 뇌 기능과 관련된 단거리 및 국부적 뇌파뿐만 아니라 길고 광범위한 뇌파를 동시에 밝혀내는 것이다. 뇌 활동에 대한 이 고공간 및 시변(동적) 그림은 Science Translational Medicine 논문과 관련된 여러 보충 영화에 기록되었으며 뇌파 패턴을 활용하여 손의 움직임을 새로운 방식으로 해석하는 데 사용되었다.

 

다음 단계

 

팀은 이러한 그리드를 발전시켜 단기, 중기 및 장기 사용에 대한 승인을 받을 수 있도록 다양한 이니셔티브를 동시에 진행하고 있다. 예를 들어, UC 샌디에이고 전기 공학 교수인 Shadi Dayeh가 이끄는 팀은 다음 단계가 치료 저항성 간질 환자를 위한 임상 시험이 될 정도로 감지 시스템 개발에 중점을 둔 1,225만 달러의 NIH 보조금을 받았다. 이 보조금은 또한 중장기 사용에 중요한 시스템을 무선으로 만들기 위한 노력에 자금을 지원한다.

 
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