연구자들이 정신 질환 치료를 위한 AI 기반 뇌 자극 시스템을 개발했다
사람을 대상으로 한 파일럿 연구에서 미네소타대학교 의과대학과 매사추세츠 종합병원의 과학자들은 인공지능과 표적 전기 뇌 자극을 결합해 자기 통제와 정신적 유연성과 관련된 특정 뇌 기능을 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다.
의학박사이자 정신의학과 부교수이며 의과대학 마약중독 연구팀 회원인 알릭 비지가 Nature Biomedical Engineering 저널에 발표된 이 연구의 책임 저자입니다. 결과는 보스턴 매사추세츠 종합병원에서 뇌수술을 받은 간질 환자 12명을 대상으로 한 인체 연구에서 도출되었습니다. 환자들에게는 뇌 활동을 기록하고 발작의 원인을 찾기 위해 뇌 전체에 수백 개의 미세 전극을 배치하는 시술이 시행되었습니다.
«인지 통제의 결핍, 즉 기본적으로 나타나는 지배적 반응을 보다 적응적인 선택으로 대체하는 능력의 결핍은 우울증, 불안, 중독 및 기타 정신 질환에서 흔히 나타납니다. 여기서 우리는 두개내 간질 모니터링을 받는 환자들에게서 내부 피막 또는 선조체, 특히 등쪽 부위에 대한 피드백 기반 직접 자극이 갈등 과제 수행 중 인지 통제를 향상시킨다는 증거를 제시합니다. 피드백을 통한 인지 통제 강화는 근본적인 인지 결함을 바로잡고 중증 정신 질환 치료에 도움이 될 수 있습니다», — 연구에 따르면 그렇습니다.
이 연구에서 비지는 매사추세츠 종합병원의 의학박사이자 간질 연구 전문가인 시드니 캐시, 그리고 임상 뇌 자극 분야 전문가인 의학박사 다린 도허티와 협력했습니다. 이들은 함께 적은 양의 전기 에너지를 자극했을 때 환자의 정신 기능을 향상시키는 뇌 영역인 내부 피막을 찾아냈습니다. 이 뇌 부위는 인지 통제를 담당하며, 이는 한 사고방식이나 행동에서 다른 것으로 전환하는 과정으로 대부분의 정신 질환에서 손상됩니다.
“예를 들어 우울증을 앓는 사람이 떨쳐내지 못하는 부정적인 생각에 갇혀 있는 경우를 들 수 있습니다. 이 기능이 정신 질환에서 핵심적인 역할을 하므로, 이를 개선하는 방법을 찾는 것은 이러한 질병을 치료하는 새롭고 강력한 방법이 될 수 있습니다”
연구팀은 자극 후 환자의 인지 통제 능력을 행동과 뇌 활동 양쪽에서 직접 추적할 수 있도록 특수 알고리즘을 개발했습니다. 제어 방식은 환자의 인지 통제 실험실 테스트 성적이 나빠질 때마다 자극을 강화하도록 설계되었습니다.
“이 시스템은 뇌 활동을 읽고, 환자가 어려움을 겪을 때 이를 '해독'한 뒤, 그 어려움을 극복하도록 돕기 위해 뇌에 작은 전기 자극 펄스를 가할 수 있습니다. 저는 종종 전기자전거에 비유합니다. 누군가 페달을 밟는데 힘들어하면, 자전거가 이를 감지하고 힘을 보태 줍니다. 우리는 인간의 정신 기능에 대해 이와 같은 방식을 구현했습니다”
이 연구는 처음으로 다음을 보여줍니다:
- 정신 질환과 관련된 특정 인간의 정신 기능은 정밀하게 표적화된 전기 자극으로 안정적으로 향상될 수 있습니다
- 내부 피막 구조에는 인지 기능을 향상시키는 데 특히 효과적인 특정 부위가 있습니다
- 컨트롤러로 사용된 피드백 알고리즘은 무작위 시점의 자극보다 두 배 더 효과적이었습니다
일부 환자는 간질 외에도 심한 불안을 겪고 있었습니다. 인지 자극을 받은 후 이들은 스트레스에서 벗어나 원하는 것에 집중할 수 있게 되면서 불안이 줄어들었다고 보고했습니다. 비지에 따르면, 이는 이 방법이 심각하고 약물에 저항성이 있는 불안, 우울증 또는 기타 질환을 가진 환자 치료에 사용될 수 있음을 시사합니다.
“이것은 정신 질환 치료에 있어 완전히 새로운 접근법이 될 수 있습니다. 증상을 억누르려고 하는 대신, 환자들에게 자신의 의식을 스스로 통제할 수 있는 도구를 제공할 수 있습니다. 우리는 그들을 '운전자' 자리에 다시 앉히고, 자유 의지라는 새로운 느낌을 경험하게 할 수 있습니다”
연구팀은 현재 임상시험을 준비하고 있습니다. 인지 통제 개선이라는 목표는 이미 미국 식품의약국(FDA)으로부터 뇌 심부 자극 용도로 승인되었으며, 비지는 시험이 공식적으로 승인된 후에는 이 연구를 기존 도구와 장비로 수행할 수 있고, 이러한 치료를 현재 의료 현장에 도입하는 것도 빠르게 이뤄질 수 있다고 밝혔습니다.
“이번 결과에서 가장 놀라운 점은 이제 임상시험을 통해 효과를 더 입증할 수 있고, 그 다음에는 질병 치료를 위해 추가 개입이 절실히 필요한 치료 저항성 환자들에게 도움을 제공하는 단계로 나아갈 수 있기를 바란다는 것입니다”
