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- 척수에 이식된 전극이 개별적으로 조정된 운동 신호를 운동 신경 뿌리에 보내
- 1년-9년 사이 오토바이 사고로 척수가 절단된 29세-41세 사이의 세 남자 대상 실험
- 3일 째 보행 패턴 개선돼 3명 모두 안전벨트를 착용하고 독립적으로 걸어
- 척수의 해부학 및 기능에 관한 새로운 기본 지식 습득, 유사한 치료 방법 추가 개발 중요

마비 환자를 위한 척수 심박조정기(pace maker)
신경 자극을 통해 하반신 마비 환자가 걷고 일어설 수 있다.

하반신 마비 환자를 위한 희망:
오토바이 사고로 마비된 세 남자는 새로운 유형의 "척수 심박조정기" 덕분에 걷고, 일어서고, 자전거를 타는 법을 다시 배웠다. 이식 후 첫 번째 날에 이미 지지를 받고 있는 첫 번째 조치를 취할 수 있었다. 이것은 척수에 이식된 전극이 개별적으로 조정된 운동 신호를 운동 신경 뿌리에 보내는 전극에 의해 가능하다. 원칙적으로 환자는 원격으로 자신을 제어하는 ​​데 사용할 수 있다. 

▲ "척수 심박조정기"를 이식한 지 5개월 후, 이 하반신 마비 환자는 보행기로 걸을 수 있다. 프로그램은 다리 움직임을 제어한다. © NeuroRestore / Jimmy Ravier

지금까지 하반신 마비 환자의 회복에 대한 희망은 거의 없었다.
절단된 척수는 저절로 다시 자라지 않기 때문이다. 과학자들은 유전자 치료, 줄기 세포 또는 생체 활성 나노 섬유를 통해 이러한 신경 치유를 자극하기 위해 노력하고 있다. 그러나 지금까지 이것은 동물 실험이나 특별한 환자에서만 작동했다.

따라서 가능한 대안은 이미 통증 치료에 사용되는 척수에 전극 이식을 통한 신경 자극이다.
전극을 통해 공급되는 신호는 일반적으로 뇌에서 다리 근육으로 운동 신호를 전달하는 회로와 신경 뿌리를 활성화한다. 따라서 근육은 원격으로 제어된다. 하지만 그러한 전기 자극 요법은 효과가 가시화되기까지 수 개월의 힘든 훈련을 필요로 한다.

두 가지 방법으로 최적화된 방법론

EPFL(Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne)의 Andreas Rowald와 그의 동료들은 이제 환자가 여전히 안전벨트로 많은 지원을 받고 있더라도 첫날 첫 걸음을 내딛을 수 있는 방식으로 방법을 최적화하는 데 성공했다. 이것은 전극 배열의 최적화와 인공 지능이 지원하는 자극 신호의 조정이라는 두 가지 주요 변경 사항으로 가능했다.

먼저 연구팀은 다리와 몸통 하부의 움직임을 담당하는 신경근을 보다 구체적으로 표적화하기 위해 전극 배열을 조정했다. 연구원들은 뉴런 지형의 상세한 시뮬레이션의 도움으로 신경 뿌리와 개별 근육 그룹을 선택적으로 제어할 수 있는 배열을 개발했다. 또한 마비된 근육과 관절이 수동적으로 움직이거나 움직일 때 신경과 신경근이 활성화되는 3명의 테스트 환자를 결정했다.

신호 패턴의 개별 조정

두 번째 최적화는 테스트 환자의 신경과 근육에 대한 심박조정기 신호의 개별 조정에 관한 것이다. 이들은 1년에서 9년 사이에 오토바이 사고로 척수가 절단된 29세에서 41세 사이의 세 남자였다. 세 사람 모두 상반신이 마비되어 다리를 움직이거나 느낄 수 없었다.

신경 자극은 건강한 환자와 테스트 환자 모두에서 파생된 뇌, 근육 및 신경 뿌리의 신경 신호를 기반으로 했다. 이로부터 적응형 알고리즘은 환자에게 개별적으로 맞춤화된 자극 프로파일을 개발했으며, 이는 특정 일반적인 움직임 패턴에서 특정 자극 패턴을 시뮬레이션했다.

수석 저자인 EPFL의 Grégoire Courtine은 "이를 통해 뇌가 일반적으로 환자를 서거나, 걷거나, 수영하거나, 자전거를 타게 하는 것과 유사한 방식으로 척수를 활성화할 수 있다"고 설명했다.

 <이것이 척수 심박조정기로 치료가 작동하는 방식이다. © EPFL>

지지벨트에서 첫 단계

이 척수 심박조정기가 실제로 얼마나 잘 작동하는지 이식 후에 보여주었다.
이를 위해 연구팀은 전극을 환자의 척수와 신경근에 직접 놓고 제어장치를 복벽 아래에 놓았다. 수술 중과 수술 직후에 팀은 자극에 대한 초기 미세 조정을 수행했다.

몇 시간 후, 환자들은 첫 번째 단계를 시도했다. 처음에는 여전히 체중의 많은 부분을 지탱하는 서스펜션으로 지지됐다.

성공으로:
"이미 첫날에 세 명의 피험자 모두 런닝 머신에서 첫 걸음을 내디딜 수 있었지만 움직임은 그다지 뚜렷하지 않았다"고 팀은 보고했다. 3일째가 되자 보행 패턴이 개선되어 3명 모두 안전벨트를 착용하고 독립적으로 걸을 수 있었다. 환자는 태블릿을 사용해 자신의 "페이스메이커"에 대해 원하는 움직임 형태를 설정했다.

▲ 수술 후 어느 날 환자는 벨트에 첫 발을 내디뎠다. © NeuroRestore / Jimmy Ravier

보행 보조기로 걷기

다음 5개월 동안 세 명의 환자는 마비된 다리의 근육을 운동하고 신경 심박조정기를 사용해 움직이는 법을 배우는 강렬한 운동 프로그램을 받았다. 이 시간 이후에는 안전벨트 없이 일반 보행기의 도움을 받아 독립적으로 걷고 설 수 있게 되었다. 자극기를 제어하는 ​​버튼은 롤레이터의 핸들에 내장돼 있다.

테스트 환자 중 한 명은 이 기술의 도움으로 계단을 다시 오르내릴 수 있었다. 세 사람은 또한 수영과 카누, ​​다시 누운 자전거를 사용할 수 있었다.

치료제라고 다르지 않다.

그러나 이 치료법은 진정한 치료법이 아니다. Rowald와 그의 동료들은 "이 환자들이 자연적으로 움직일 수 있는 능력을 회복하지 못했다는 점을 강조하는 것이 중요하다"고 말했다. 움직임에 대한 신호는 환자의 정상적인 신경 기능 회복이 아니라 소프트웨어 지원 자극 프로그램에서만 왔기 때문이다. "하지만 재활은 그들이 다시 다양한 활동을 할 수 있도록 하기에 충분했다.“

하이델베르그 대학 병원의 Norbert Weidner도 여전히 제한된 가능성을 지적한다. "경막외 자극의 일상적인 사용에 대한 적합성은 여전히 ​​극히 제한적이다. 낮은 보행 속도, 상대적으로 높은 에너지 소비를 수반하는 비 생리학적 보행 패턴"이라고 하반신 마비 전문가는 설명했다.
“그러나 척수의 해부학 및 기능에 관한 새로운 기본 지식을 얻었으며 이는 유사한 치료 방법의 추가 개발에 중요하다."

더 나은 치료법의 전망

전문가는 이 방법이 완전히 마비된 사람과 신경로가 완전히 절단된 환자에게도 적합하다고 긍정적으로 평가한다. Bayreuth Clinic의 Rainer Abel은 다음과 같이 말했다. “결과는 매우 고무적이며 치료에서 확실히 자리를 찾을 것이다.”

Rowald와 그의 동료들은 이미 신경 자극 방법을 더욱 개선하기 위해 노력하고 있다. 그들은 또한 이러한 유형의 "원격 제어"를 하반신 마비 환자가 제어할 수 있는 하반신 마비 환자의 방광 및 장 기능을 만드는 방법으로 본다.
(Nature Medicine, 2022; doi: 10.1038/s41591-021-01663-5)
출처: École Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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