KR20170033586A - 단일 뇌에 적용되는 뇌-뇌 인터페이스 시스템 - Google Patents

Abstract

뇌-뇌 인터페이스 시스템은, 뇌의 활동 상태 정보를 검출하는 뇌 활동 검출 장치와, 뇌의 적어도 일부 영역을 자극하여 해당 영역의 뇌 신경 세포를 활성화 또는 비활성화시키는 뇌 자극 장치와, 상기 뇌 활동 검출 장치 및 상기 뇌 자극 장치를 제어하는 컴퓨터를 포함하고, 상기 뇌 활동 검출 장치를 통해 피험체의 뇌("목표 뇌")의 뇌 활동 상태 정보를 획득하고, 상기 목표 뇌의 뇌 활동 상태 정보를 기초로 상기 뇌 자극 장치를 통해 상기 목표 뇌의 적어도 일부 영역을 자극하여 상기 목표 뇌의 기능을 조절한다.

Description

단일 뇌에 적용되는 뇌-뇌 인터페이스 시스템{brain to brain interface system applied to single brain}

본 발명은 뇌 기능을 조절하기 위한 뇌 인터페이스 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 뇌 활동 상태 정보를 측정하고 측정된 뇌 활동 상태 정보를 기초로 당해 뇌에 자극을 가하여 뇌 기능을 조절할 수 있는 단일 뇌 간 뇌-뇌 인터페이스 시스템에 관한 것이다.

뇌는 생물체의 운동, 감각 및 기타 모든 정신 활동을 관장하는 역할을 한다.

뇌에는 부분별로 서로 다른 기능을 하는 기능적 영역이 존재하며, 기능적 영역 간에는 뇌 신경 신호가 전달되는 트랙을 통해 신호를 전달할 수 있도록 형성된다. 이러한 신호 전달 경로를 소위 "뇌 신경 회로"라고 한다.

도 1은 뇌의 일부 기능적 영역을 도시한 것이다.

뇌(1)의 대표적인 기능적 영역으로서 생물체의 운동과 관련한 운동 신경 회로와, 감각과 관련된 감각 신경 회로를 들 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 운동 신경 회로는 판단 및 예측과 같은 고위정신기능을 담당하는 전전두 연합 영역(21), 운동을 계획하고 무의식적인 운동이나 긴장을 담당하는 전운동 및 보조운동 영역(22), 운동 지령을 전신의 운동 신경으로 전파시키는 일차운동영역(23)이 신경 신호 전달 트랙(26)을 통해 연결되어 정보(신경 신호)가 전달되도록 형성된다.

감각 신경 회로는 체감각 연합 영역, 청각 연합 영역, 시각 연합 영역 등과 같은 감각 영역(25), 다중 감각 영역(24) 및 전전두 연합 영역(21)으로 이어진다.

그 밖에도, 뇌(1)에는 감정이나 정신 활동과 관련된 설명되지 않은 다수의 뇌 신경 회로들이 존재한다.

이러한 뇌 신경 회로들이 서로 복합적으로 작용하여 생물체의 생명 활동이 정상적으로 이루어지도록 한다.

뇌의 일부가 괴사하여 뇌졸증 등이 일어나면 신체 일부가 마비되는 등 기능 장애가 발생할 수 있다. 뇌가 괴사하는 등 물리적인 환부가 발생하지 않은 경우라도, 특정 뇌 신경 회로가 정상적으로 작동하지 못하면, 예를 들어 환청이나 환각 상태가 지속적으로 일어나는 등 정신병이 유발될 수 있다.

이러한 뇌 기능 장애에 따른 질환뿐만 아니라, 뇌의 기능 저하로 인해 크고 작은 신체 증상들이 나타난다.

질환 치료에는 약물 치료가 많이 이용되고 있는데, 약물 치료는 즉각적이고 직접적인 증상 완화 효과를 기대하기 어렵고, 약물의 투여량의 제한이나 부작용 등으로 지속성이 떨어질 수 있다.

특정 증상 완화에 대해 직접적인 효과를 보기 위해, 뇌에 직접 물리적인 자극을 가하는 방법 등이 연구되고 있다.

하지만, 종래기술에 따른 뇌 자극 시스템은 정해진 증상 완화를 목적으로 정해진 위치에 자극을 가하고 있어 적용 범위가 매우 제한적이다. 아울러, 뇌 활동 상황을 고려하지 않고 일방적인 자극을 가하므로, 오히려 뇌에 해를 가할 수 있는 문제점이 있다.

한국 특허공개 제10-2011-0066460호

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 뇌 활동 상황에 맞는 맞춤형 자극을 수행할 수 있고, 즉각적이고 최적화된 자극을 수행하여 뇌 기능 조절을 할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 뇌의 활동 상태 정보를 검출하는 뇌 활동 검출 장치와, 뇌의 적어도 일부 영역을 자극하여 해당 영역의 뇌 신경 세포를 활성화 또는 비활성화시키는 뇌 자극 장치와, 상기 뇌 활동 검출 장치 및 상기 뇌 자극 장치를 제어하는 컴퓨터를 포함하고, 상기 뇌 활동 검출 장치를 통해 피험체의 뇌("목표 뇌")의 뇌 활동 상태 정보를 획득하고, 상기 목표 뇌의 뇌 활동 상태 정보를 기초로 상기 뇌 자극 장치를 통해 상기 목표 뇌의 적어도 일부 영역을 자극하여 상기 목표 뇌의 기능을 조절하는 뇌-뇌 인터페이스 시스템에 제공된다.

일 실시예에 따르면, 상기 컴퓨터는 상기 뇌 활동 상태 정보를 통해, 특정 기능 수행을 위한 뇌 신경 회로의 활동 상태를 확인하고, 상기 뇌 자극 장치가 상기 뇌 신경 회로 중 비정상적으로 활성화 또는 비활성화된 영역을 자극하도록 하여 해당 영역을 비활성화 또는 활성화시킨다.

일 실시예에 따르면, 상기 컴퓨터는 상기 뇌 활동 상태 정보를 통해, 특정 기능 수행을 위한 뇌 영역의 활동 상태를 확인하고, 상기 뇌 자극 장치가, 상기 특정 기능 수행과는 다른 기능 수행을 위한 다른 뇌 영역을 자극하도록 하여 상기 다른 뇌 영역을 활성화 또는 비활성화시킨다.

일 실시예에 따르면, 상기 목표 뇌에는 신경이 괴사한 환부가 존재하고, 상기 뇌 자극 장치는 상기 목표 뇌의 임의 부위를 자극하여 상기 환부의 존재에 따른 상기 목표 뇌 전체의 불균형 상태를 해소한다.

일 실시예에 따르면, 상기 뇌 자극 장치는, 상기 환부가 존재한 환측과, 상기 환부가 존재하지 않은 건측의 활성 상태가 상반되도록 상기 환측과 상기 건측을 동시에 자극한다.

일 실시예에 따르면, 상기 목표 뇌에는 신경이 괴사하여 특정 기능 수행을 위한 뇌 신경 회로의 신호 전달 트랙을 차단하는 환부가 존재하고, 상기 컴퓨터는 상기 특정 기능에 대한 지령을 내리는 상위 기능 영역의 활동 상태 정보가 획득되면, 상기 뇌 자극 장치가 상기 목표 뇌의 임의 부위를 자극하도록 하여, 상기 환부를 우회하는 새로운 신호 전달 트랙의 형성을 돕는다.

일 실시예에 따르면, 상기 뇌 자극 장치는 상기 뇌 신경 회로 중 상기 지령을 수행하는 하위 기능 영역과, 상기 환부의 주변 영역을 동시에 자극한다.

일 실시예에 따르면, 상기 목표 뇌에는 신경이 괴사하여 특정 기능 수행을 위한 뇌 신경 회로의 신호 전달 트랙을 차단하는 환부가 존재하고, 상기 컴퓨터는 상기 특정 기능에 대한 지령을 내리는 상위 기능 영역의 활동 상태 정보가 획득되면, 상기 뇌 자극 장치가 상기 뇌 신경 회로 중 상기 지령을 수행하는 하위 기능 영역을 자극하여 상기 기능 수행을 돕는다.

일 실시예에 따르면, 상기 뇌 자극 장치는 저강도 초음파 빔을 하나 이상의 초점으로 집속할 수 있는 저강도 집속 초음파 장치이다.

일 실시예에 따르면, 상기 저강도 집속 초음파 장치는 상기 초점의 위치를 3차원적으로 이동시킬 수 있다.

도 1은 뇌의 일부 기능적 영역을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 시스템의 개념도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저강도 집속 초음파 자극 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 초음파 자극 장치에 이용되는 압전소자의 압전효과에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 저강도 집속 초음파 자극 장치에 의해 집속된 초음파 빔의 모습을 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 저강도 집속 초음파 자극 장치에서 저강도 초음파 빔의 초점의 위치가 조정되는 모습을 도시한 것이다.
도 10은 도 2의 뇌-뇌 인터페이스 시스템을 이용해 목표 뇌에 자극을 가하는 일 예를 도시한 것이다.
도 11 내지 도 13은 목표 뇌에 신경이 괴사한 환부가 존재하는 경우 도 2의 뇌-뇌 인터페이스 시스템의 적용례를 각각 도시한 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 시스템(이하, "시스템"으로 약칭한다)(10)의 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 피험체의 뇌("목표 뇌")(1)의 활동 상태 정보를 검출하는 뇌 활동 검출 장치(100), 목표 뇌(1)의 적어도 일부 영역을 자극하여 해당 영역의 뇌 신경 세포를 활성화 또는 비활성화시키는 뇌 자극 장치(200) 및 뇌 활동 검출 장치(100)와 뇌 자극 장치(200)를 제어하는 컴퓨터(300)를 포함한다.

본 실시예에 따른 시스템(10)은 뇌 활성도 검출 장치(100)를 통해 목표 뇌(1)의 뇌 활동 상태 정보를 획득한 뒤, 목표 뇌(1)의 뇌 활동 상태 정보를 기초로 뇌 자극 장치(200)를 통해 목표 뇌(1)의 적어도 일부 영역을 즉각 자극하여 목표 뇌(1)의 기능을 조절한다.

본 실시예에 따른 뇌 활동 검출 장치(100)는 머리 표면(2)에 부착되는 복수의 전극(101)을 통해 뇌파(EEG, Electroencephalogram)를 비침습적으로 측정하는 EEG 검출 장치일 수 있다. 복수의 전극(101)은 MCN 표준 전극 배치법에 준해 뇌에서 활성화가 잘 일어나는 장소를 선정하여 부착한다.

뇌파는 뇌의 수많은 신경에서 발생한 전기적인 신호가 합성되어 나타나는 뇌 표면이 신호를 측정하여 얻어지는 것이다. 뇌파 신호는 뇌의 활동, 뇌 기능에 따라 시공간적으로 변화하게 된다. 뇌파 신호는 뇌 기능과 관련된 공간적인 특성을 가진다.

뇌파를 측정하고 이를 이용해 정보를 얻기 위해서는 뇌파를 분석하는 과정이 필요하다.

뇌파는 복잡한 신호로 여러 주파수 대역이 신호가 섞여 있다. 뇌파는 주파수와 전압의 범위에 따라 델타, 쎄타, 알파, 베타, 감마파 등으로 나뉜다. 델타(δ)파는 0.1~3Hz의 주파수와 20~200μV의 진폭을 보이고, 쎄타(θ)파는 4~7Hz의 주파수와 20~100μV의 진폭을 보이며, 알파(α)파는 8~12Hz의 주파수와 20~60μV의 진폭을 보인다. 베타(β)파는 12~30Hz의 주파수와 2~20μV의 진폭을 보이고, 감마(γ)파는 30~50Hz의 주파수와 2~20μV의 진폭을 보인다.

뇌파를 이용한 뇌 활동 상태 분석에는 특정 주파수 대역의 파가 주로 이용되나, 사람마다 뇌파의 주파수 특성이 차이가 있으므로 원하는 주파수 대역을 설정하는 것이 필요하다.

뇌파 중, 사건관련전위(ERP)는 특정한 정보에 대한 자극에 반응해 일정 시간 동안 일어나는 뇌의 전기적 활동을 의미한다. ERP의 구성 성분 중 P300은 여러 연구를 통해 의사결정, 신호의 확률, 주의, 변별, 불확실성의 해상도, 자극의 관련성, 정보의 전달 등 여러 다양한 인지적 활동과 관련 있다는 결과들이 보고되고 있다.

특정 상태의 뇌파 특징을 분석하기 위해 각 주파수 성분에 대한 파워의 분포를 전체적으로 보여주는 파워스펙트럼 분포를 먼저 관찰하고, 성분들의 변화를 통해 뇌 활동 상태를 판단한다. 파워 스펙트럼 분포는 머리 표면의 측정부위마다 다른 양상을 보인다. 예를 들어, 뒤통수에 해당하는 후두엽엔 일치사각피질이 있어 일차적인 시각 정보를 담당하고, 정수리 근처에 해당하는 두정부엽엔 체성감각 피질이 있어 운동/감각 관련 정보 처리를 담당한다.

파워 스펙트럼 분석을 통하면, 특정 주파수 구간의 세기의 증감을 살펴볼 수 있다. 예를 들어 팔을 움직이는 동안에는 관련 뇌부위 영역의 신호를 분석해보면, 0.5 ~ 8 Hz 대역에서는 신호의 세기가 증가하고(ERS, event-related synchroization), 9 ~ 22 Hz에서는 신호의 세기가 감소하는(ERD, event-related desynchroization) 등의 현상이 나타나는 것으로 알려져 있다.

이와 같은 특성을 이용해 특정 주파수 대역의 세기가 뇌의 위치에 따라 어떻게 달라지는지 분석할 수 있고, 뇌의 각 영역이 신호를 어떻게 주고 받는지 또는 어느 영역이 서로 관련되는지 분석할 수 있다(즉, 뇌 신경 회로의 활동 상태를 분석할 수 있다).

많은 수의 뇌에 대한 실험을 통해, 다양한 뇌 신경 회로 및 영역에 대한 활동 상태 정보가 수집될 수 있으며, 수집된 정보를 평균을 취하여 구축된 뇌파 모델(기준 뇌 활동 상태 정보)이 컴퓨터(300)에 저장될 수 있다.

EEG 검출 장치에서 측정된 뇌파 정보는 필터와 증폭기(미도시) 등을 거쳐 전처리가 이루어지면 컨버터(미도시)를 거쳐 디지털 신호로 변환되어 컴퓨터(300)로 입력된다. .

컴퓨터(300)는 전환 알고리즘을 통해 EEG 검출 장치에서 측정된 뇌파 데이터를 뇌파 모델과 비교하여, 목표 뇌의 특정 뇌 신경 회로 및/또는 특정 영역의 활동 상태를 확인한다. 사람마다 뇌파의 주파수 특성이 차이가 있으므로 목표 뇌에 대한 뇌파 데이터는 적절히 스케일링되어 뇌파 모델에 적용될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 뇌 활동 검출 장치(100)로서 EEG 검출 장치가 이용되었지만 이에 한정되지 않는다.

뇌의 특정 부위가 활성화되면 산소를 소모하게 되고, 이에 따라 산화헤모글로빈을 통해 산소를 전달해 주게 되며, 이에 다시 산소량이 처음보다 오히려 증가하게 되는데, 이러한 변화를 측정하여 뇌 활동을 검출하기 위한 장치인 기능성자기공명영상(fMRI) 장치, 근적외선 분광광도(NIRS) 장치 등이 이용될 수도 있다.

또한, 전기가 흐를 때 자기장의 변화가 이유되고, 자기장이 코일의 전류를 유도하는 성질을 이용해 뇌 활성을 측정하는 자기 뇌도 측정(MEG) 장치가 이용될 수도 있다. 또한, 도플러 효과를 이용해 뇌 활성 상태에 따라 변화하는 혈류량을 측정하여 뇌 활동을 검출하는 기능성 혈류 측정(fTCD)이 이용될 수도 있다.

이와 같이 두뇌와 컴퓨터를 직접 연결해 뇌의 활동이 컴퓨터에 직접 입력되어 컴퓨터와 커뮤니케이션할 수 있는 시스템인 소위 "뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI, brain computer interface)"에 대한 연구는 이미 많이 이루어져 있다. BCI 기술을 통해 목표 뇌의 활동 상태 및 활동 의도를 판단할 수 있게 된다.

컴퓨터(300)는 확인된 목표 뇌의 특정 뇌 신경 회로 및/또는 특정 영역의 활동 상태를 확인하고, 이를 기초로 뇌 자극 장치(200)를 제어하기 위한 제어 신호를 산출하여 뇌 자극 장치(200)를 제어한다.

본 실시예에 따르면, 뇌 자극 장치(200)로서 저강도 집속 초음파 장치(이하, 초음파 자극 장치"라고 함)가 이용된다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 자극 장치(200)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

초음파 자극 장치(200)는 복수의 트랜스듀서(transduser)(210)가 어레이 형태로 배치되어 형성된다.

트랜스듀서(210)의 인가되는 전압 신호를 생성하는 신호 생성기와, 신호를 증폭시키는 증폭기 등을 포함하는 기능 모듈(미도시)이 초음파 자극 장치(200)에 연결되고, 기능 모듈은 컴퓨터(300)와 연결된다.

본 실시예에 따른 초음파 자극 장치(200)에는 복수의 트랜스듀서(210)가 메트릭스 형태로 배열되어 있으나, 트랜스듀서(210)들은 원형 링 모양으로 배열되는 등 다변화될 수 있다.

각각의 트랜스듀서(210)의 각 압전소자(213)는 신체에 손상을 입히지 않는 3 W/㎠ 의 시간 평균 최고 첨두 음향강도(Ispta) 미만의 음향강도(Isppa)를 가지는 초음파를 출력한다. 저강도 초음파는 중첩을 일으켜 저강도 초음파 빔을 형성한다.

복수의 초음파 자극 장치(200, 200')가 헬멧 형태의 착용구 내부에 부착되고, 피험자가 착용구를 머리에 착용하여 복수의 초음파 자극 장치(200, 200')가 피험자의 머리를 향해 고정될 수 있다.

트랜스듀서(210)는 모두 전방으로 배치되어 있으며, 저강도 초음파 빔을 하나의 초점(F)으로 집속하기 위해 압전소자(213)가 발생시키는 구형 파형의 초음파들 간에 위상차를 준다. 이에 대해서는 뒤에서 더 자세히 설명한다.

도 4는 본 실시예에 따른 트랜스듀서(210)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 트랜스듀서(210)는 일측이 개구된 몸체(211)와 상기 몸체(211)의 개구에 형성된 압전소자(213)를 포함한다. 몸체(211) 내부(212)는 공기로 충진된다. 각 압전소자(213)에는 압전소자(213)에 전압을 인가하기 위한 전선이 연결되어 있다. 몸체(211)는 하나의 압전소자(213)를 고정하기 위한 사이즈로 형성된다.

본 실시예에 따르면 압전소자(213)는 수정(Quartz) 및 전기석(Turmaline)과 같은 압전 효과를 일으키는 물질을 이용하며, 트랜스듀서(210)는 압전소자(213)의 압전효과를 이용해 초음파를 발생 출력시킨다.

도 5는 압전소자(213)의 압전효과에 대해 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 수정 결정체인 압전소자(213)의 한 축을 따라 인장력(tension)과 압축력(compression)을 반복적으로 가하면 한쪽 면에는 양전하(+)가 다른 한쪽에는 음전하(-)가 생겨 전류가 발생한다.

압전소자(213)에서의 이러한 분극 현상은 결정 구조가 찌그러지면서 (+)이온과 (-)이온의 상대적 위치가 변화함에 따라 발생한다. 이로 인해 소자 내에서 위치가 변화한 전하의 무게중심은 자동적으로 보정되지만 결정체의 양쪽 단면 사이에는 전기장(electric field)이 형성된다. 전기장의 방향은 압축 시와 인장 시에 서로 반대가 된다.

역으로, 압전소자(213)의 양쪽 단면에 전압을 인가하면 전기장 내의 (+)이온은 (-)전극을 향하여 이동하고, (-)이온은 (+)전극을 향하여 이동한다. 이와 같은 역압전효과에 의해 외부에서 가해지는 전압의 방향에 따라 압전소자(213)의 인장과 수축이 유도된다.

압전소자(213)과 인장과 수축을 반복함에 따라서, 스피커의 작동 원리와 유사한 원리로 가청 범위 이상의 주파수를 가지는 초음파가 발생한다.

도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 초음파 자극 장치(200)는 각각 독립적으로 전압 신호를 인가받아 초음파를 출력하는 복수의 트랜스듀서(210)가 배열된 위상 배열 장치이다.

본 실시예에 따르면, 초음파의 중첩 현상을 이용해 각 트랜스듀서(210)의 압전소자(213)가 출력하는 저강도 초음파 빔은 하나 이상의 초점(F)으로 집속된다.

도 6 및 도 7은 집속된 초음파 빔의 모습을 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 각각 트랜스듀서(210)들은 구형의 파형 형태의 초음파를 발생시키고, 트랜스듀서(210)가 발생시키는 구형 파형의 초음파 간에 중첩이 발생한다.

이러한 중첩 현상에 의해 초음파 자극 장치(200)로부터 소정 거리에 위치한 초점(F)으로 집속되는 저강도 초음파 빔을 형성할 수 있다.

도 6은 트랜스듀서(210)가 발생시키는 구형 파형들 간의 위상차를 주지 않은 경우로, 각 트랜스듀서(210)에서 수직으로 초음파 빔들이 각각의 초점(F)을 향해 발사된다.

이와 달리, 도 7에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서(210)가 발생시키는 구형 파형의 초음파들 간에 위상차를 주면, 저강도 초음파 빔이 하나의 초점(F)으로 집속되도록 할 수 있다.

또한, 트랜스듀서(210)가 발생시키는 구형 파형의 초음파들 간에 위상차를 조절하면, 초점(F)의 위치도 조정할 수 있다.

도 8 및 도 9는 초점(F)의 위치가 조정되는 모습을 도시한 것이다.

도 8 및 도 9에서 좌측에 도시된 그래프는 시간차를 가지고 각각의 트랜스듀서(210)에 인가되는 전압 신호를 도시한 것이다.

도 8 및 도 9에서 비교 도시된 바와 같이, 각각의 트랜스듀서(210)에 인가되는 전압 신호 간의 시간차를 달리하면, 트랜스듀서(210)가 발생시키는 구형 파형의 초음파들 간에 위상차가 달라지면서 초점(F)의 위치가 변하게 된다. 초점(F)의 위치는 전후, 좌우 및 상하 방향으로 3차원적으로 조정될 수 있다.

저강도 집중 초음파를 통한 자극은 초음파 빔의 초점에 위치한 부분이 자극된다.

컴퓨터(300)는 뇌 자극 장치(100)가 자극하기 위한 타겟 영역의 좌표(초점의 위치)를 설정하여 뇌 자극 장치(100)가 해당 영역을 정확하게 자극할 수 있게 한다.

타겟 영역의 좌표는 이미 알려진 뇌 지도를 바탕으로 설정될 수도 있고, 목표 뇌에 대한 정밀 검사를 통해 구축된 목표 뇌 고유의 뇌 지도를 바탕으로 설정될 수 있다.

자기장이나 전류를 통해 뇌 신경을 자극하는 장치 등도 뇌 자극 장치로서 이용될 수 있으나, 저강도 초음파를 집속할 수 있는 초음파 자극 장치를 이용함으로써, 특정 뇌 영역을 정확하게 조준하여 해당 영역을 선택적으로 국부 자극할 수 있게 된다.

초음파 자극을 통하면, 초음파 자극기에 입력으로 가해지는 펄스화된 전기 신호를 변조함으로써, 뇌의 적어도 일부 영역을 자극하여 해당 영역의 뇌 신경 세포를 활성화 또는 비활성화시키는 것이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 저강도 집속 초음파 자극에 경우, 열발생 없이 순수하게 기계적인 에너지를 세포에 전달함으로써, 신경 전달에 관여하는 이온 채널에 작용하거나 세포막 정전용량 변화 등을 통해서 신경 조절에 관여하는 것으로 알려져 있다.

이와 같이 구성된 시스템(10)에 따르면 목표 뇌의 뇌 활동 상태에 따라서 그에 맞는 맞춤형 자극이 다양한 형태로 가해질 수 있다.

도 10은 시스템(10)을 이용해 목표 뇌(1)에 자극을 가하는 일 예를 도시한 것이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 컴퓨터(300)는 목표 뇌(1)의 뇌 활동 상태 정보를 통해 특정 기능 수행을 위한 뇌 신경 회로(15)의 활성 상태를 확인한다.

컴퓨터(300)는 뇌 신경 회로(15)의 활성 상태 정보를 기준 뇌 활동 상태 정보와 비교하고, 뇌 신경 회로(15)의 정상 작동 여부를 판단한다. 만약, 뇌 신경 회로(15) 중 비정상적으로 활성화된 영역(17) 또는 비활성화된 영역(16)이 존재하면, 뇌 자극 장치(100)를 통해 해당 영역을 자극하여 해당 영역을 비활성화 또는 활성화시킨다.

예를 들어, 뇌 신경 회로(15)는 소화 기능에 관계된 뇌 신경 회로일 수 있다. 소화 기관의 운동이 잘 이루어지지 않고, 소화액의 분비가 지나치게 많아 소화 불량에 시달리는 환자의 경우, 소화 기관의 운동을 일으키는 영역을 자극하여 활성화시키고, 소화액 분비를 촉진하는 영역을 자극하여 비활성화시킴으로써, 소화 불량을 완화시킬 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 활성화된 영역(17)과 비활성화된 영역(16)에 대한 자극은 복수의 뇌 자극 장치(200, 200')를 통해 동시에 수행될 수 있다.

뇌 자극 장치(200)의 자극에 따른 자극 영역의 활성화 또는 비활성화 상태 정보는 뇌 활동 검출 장치(100)를 통해 검출된 뇌 활동 상태 정보를 통해 피드백되어, 뇌 자극 장치(200)에 의한 자극 강도 및 위치를 실시간으로 조정할 수 있다.

한편, 컴퓨터(300)는, 뇌 활동 상태 정보를 통해 특정 기능 수행을 위한 뇌 신경 회로(15)의 활성 상태를 확인하고, 해당 특정 기능 수행과는 다른 기능 수행을 위한 뇌 신경 회로가 활성화 또는 비활성화되도록 자극을 가할 수도 있다.

예를 들어, 뇌 신경 회로(15)는 사물을 바라보고 인지하는 신경 회로일 수 있다. 만약, 피험자가 특정 사물을 바라보았을 때 극심한 공포를 느끼는 환자라면, 뇌 신경 회로(15) 외에 공포를 유발하는 신경 회로가 비정상적으로 활동하고 있다고 할 것이다.

컴퓨터(15)는 목표 뇌(1)에서 뇌 신경 회로(15) 외에 공포를 유발하는 신경 회로의 활동을 감지하고, 뇌 자극 장치(200)를 통해 공포를 유발하는 신경 회로의 비활성화를 유도하여 해당 증상을 완화시킬 수 있다.

위에서는, 본 실시예에 따른 시스템(10)이 정신적 또는 신체적인 질환 내지 증상을 완화하는데 이용되는 것으로 설명하고 있지만 이에 한정되지는 않는다.

예를 들어, 피험자가 눈이 덮인 환경의 사진을 바라보는 경우, 뇌 자극 장치(200)를 통해 감각 신경 회로를 자극하여 피험자가 서늘한 감각을 느낄 수 있도록 하는 것도 가능하다.

즉, 본 실시예에 따른 시스템(10)은 목표 뇌의 실제 뇌 활동 상태 정보를 기반으로 뇌 기능을 일부 교란함으로써 가상 체험을 일으키는 등 엔터테인먼트 분야나 각종 분야에 다양하게 이용될 수 있다.

본 실시예에 따른 시스템(10)은, 집중 초음파를 이용해 목표 뇌(1)의 원하는 위치를 정확하게 타격하여 자극할 수 있으므로, 목표 뇌(1)에 뇌졸증 등에 의해 신경이 괴사한 환부(20)가 발생하는 경우, 목표 뇌(1)의 정상적인 활동을 보조하는데 유용하게 활용될 수 있다.

도 11 내지 도 13은 목표 뇌(1)에 신경이 괴사한 환부(20)가 존재하는 경우 시스템(10)의 적용례를 도시한 것이다.

뇌는 전체적인 활성 상태가 균형을 이루도록 활동하는 성향이 있다. 예를 들어, 오른손을 움직일 경우 왼쪽 반구의 뇌파 활동은 억제되는 반면 오른쪽 반구의 활동은 활성화되며, 왼손을 움직이면 반대 현상이 일어난다.

목표 뇌(1)에 신경이 괴사하여 환부(20)가 발생하는 경우, 환부(20)의 존재로 인해 목표 뇌(1)는 불균형 상태에 놓이게 되며, 이러한 불균형으로 인해 각종 부작용이 유발될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 뇌 자극 장치(200, 200')는 목표 뇌(1)의 임의 부위를 자극하여 환부(20)의 존재에 따른 목표 뇌(1) 전체의 불균형 상태를 교정한다.

도 11을 참조하면, 목표 뇌(1)의 우반구(환측)(12)에 환부(20)가 발생하였고, 좌반구(건측)(11)에는 환부가 발생하지 않은 경우이다.

본 실시예에 따른 시스템(10)은 복수의 뇌 자극 장치(200, 200')를 이용해 환측(12)과 건측(11)을 동시에 자극하되, 양 측의 활성 상태가 상반되도록 하여 목표 뇌(1)의 전체적인 불균형 상태를 완화시킨다.

예를 들어, 뇌 손상이 심하지 않을 때는 건측(11)은 활성화시키되 환측(12)은 비활성화시키고, 뇌 손상이 심할 때는 건측(11)은 비활성화시키되 환측(12)은 활성화시키는 자극을 수행한다.

이러한 뇌 상태에 맞게 뇌 자극 프로토콜을 적절히 적용함으로써, 뇌 손상에 따른 재활 내지 치료의 효과를 증대시킬 수 있다.

도 11에서는 두 개의 뇌 자극 장치(200, 200')가 집속 초음파를 이용해 목표 뇌(1)의 임의 부분을 자극하는 것으로 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

두 개보다 많은 수의 뇌 자극 장치가 이용될 수 있으며, 뇌 자극 장치는 초음파를 집속하지 않고 목표 뇌(1)의 전체가 초음파의 영향을 받도록 할 수도 있다.

초음파를 집속하는 경우, 초점의 위치는 목표 뇌(1)의 설정되지 않은 임의의 영역일 수도 있고, 반복적인 실험을 통해 목표 뇌(1)의 활성도의 균형 유지에 유효한 것으로 도출된 최적화된 위치 영역일 수도 있다.

도 12는 신경이 괴사한 환부(20)가 존재하는 목표 뇌(1)에 대한 시스템(10)의 다른 적용례를 설명하기 위한 도면이다.

목표 뇌(1)에 발생한 환부(20)에 의해 특정 기능 수행을 위한 뇌 신경 회로의 신호 전달 트랙이 차단될 수 있다.

예를 들어, 상기 특정 기능 수행을 위한 뇌 신경 회로는 운동 신경 회로라고 한다.

도 12에 도시된 바와 같이, 환부(20)에 의해 전전두 연합 영역(21)에서 일차운동영역(23)으로 이어지는 신호 전달 트랙이 차단되었다. 환부(20)는 전운동 및 보조운동 영역(22)에 발생하여 전운동 및 보조운동 영역(22)의 기능이 소실되었다.

환부에 의해 신경 신호 전달의 트랙이 차단됨에 따라 전전두 연합 영역(21)에서 의도한 의식적인 운동 신호가 전달되지 않는다.

뇌는 다른 장기와 마찬가지로 지속적인 자극을 가하면 신경의 재배치가 이러나 신경 회로가 재구성될 수 있다. 이를 "뇌 가소성"이라고 한다.

현재는 물리치료, 약물치료 등을 통해 뇌에 자극을 가하여 뇌 가소성이 촉진되도록 함으로써, 뇌졸증을 앓는 환자의 재활을 돕고 있다. 하지만, 이러한 방법은 효과가 느리고 다른 부작용을 유발할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 컴퓨터(300)는 뇌 활동 검출 장치(100)를 통해 획득된 뇌 활동 상태 정보를 분석하여, 특정 기능을 수행하기 위한 뇌 신경 회로를 가동하기 위한 지령 신호가 해당 뇌 신경 회로의 상위 기능 영역에서 발생하였는지를 판단한다.

예를 들어, 전전두 연합 영역(21)은 운동 신경 회로에서 손과 같은 기관의 운동 지령을 발생시키는 상위 기능 영역이 된다.

컴퓨터(300)는 전전두 연합 영역(21)의 뇌 활동 상태 정보를 분석하여, 신체를 움직이고자 하는 의도가 있는지를 판단한다.

정상적인 상태라면, 전전두 연합 영역(21)에서 발생된 지령 신호는 운동 신호 회로를 거쳐 일차운동영역(23)으로 전달되어 운동을 일으킨다. 하지만, 환부(20)에 의해 해당 신호 전달이 차단된다.

컴퓨터(300)는 전전두 연합 영역(21)에서 신체 운동을 일으키는 의도가 파악되면 즉각 뇌 자극 장치(200)를 이용해 목표 뇌(1)의 임의 부위를 자극함으로써, 전전두 연합 영역(21)이 발생시킨 뇌 신호가 일차운동영역(23)으로 우회하여 전달될 수 있는 새로운 신호 전달 트랙(26')의 형성을 돕는다(신경 회로의 재구성을 촉진한다).

본 실시예에 따르면, 전전두 연합 영역(21)에서 운동 의도를 발생시키면 이에 대응하여, 목표 뇌(1)의 임의 부위를 자극하게 되므로, 목표 뇌(1)는 자극 부위를 전전두 연합 영역(21)과 연계되는 영역으로 쉽게 인식하게 되고, 뇌 가소성 작용이 촉진될 수 있다.

동일 부위에 대한 자극이 지속적으로 이루어지면, 뇌 가소성에 의해 해당 부위가 손상된 전운동 및 보조운동 영역(22)을 대신하여 새로운 전운동 및 보조운동 영역(22')으로서 기능을 하도록 재구성될 수 있으며, 이를 통해 환부(20)에 의해 소실된 기능의 완전 회복을 유도할 수 있다.

도 13은 신경이 괴사한 환부(20)가 존재하는 목표 뇌(1)에 대한 시스템(10)의 또 다른 적용례를 설명하기 위한 도면이다.

본 적용례에 따르면, 앞선 적용례에 나아가, 특정 기능에 대한 지령을 내리는 상위 기능 영역의 활동 상태 정보가 획득되면, 해당 상위 기능 영역에서 발생한 지령 신호가 전달되는 뇌 신경 회로 중 해당 지령을 수행하는 하위 기능 영역을 직접 자극함으로써, 기능 수행을 돕는다.

예를 들어, 전전두 연합 영역(21)은 운동 신경 회로에서 신체의 운동 지령을 발생시키는 상위 기능 영역이 되고, 일차운동 영역(23)이 해당 지령을 수행하는 하위 기능 영역이 된다.

컴퓨터(300)는 전전두 연합 영역(21)의 뇌 활동 상태 정보를 분석하여, 신체를 움직이고자 하는 의도가 있는지를 판단한다.

정상적인 상태라면, 전전두 연합 영역(21)에서 발생된 지령 신호는 운동 신호 회로를 거쳐 일차운동영역(23)으로 전달되어 운동을 일으킨다. 하지만, 환부(20)에 의해 해당 신호 전달이 차단된다.

컴퓨터(300)는 전전두 연합 영역(21)에서 신체 운동을 일으키는 의도가 파악되면 즉각 뇌 자극 장치(200)를 이용해 일차운동영역(23)을 자극함으로써, 전전두 연합 영역(21)이 발생시킨 뇌 신호가 일차운동영역(23)에 간접적으로 작용하도록 한다.

일차운동영역(23)이 활성화되면, 신체의 운동이 일어나게 되어, 환자의 회복이나 재활을 도울 수 있다.

소위 "호문쿨루스(Homunculus)"로 알려진 일차운동영역(23)에 대한 뇌 지도를 통해, 전전두 연합 영역(21)가 동작을 의도한 신체 기관과 관련된 일차운동영역(23)의 일부 영역을 선별적으로 자극할 수 있다.

전전두 연합 영역(21)의 뇌 활동 정보를 분석하면, 목표 뇌(1)가 예를 들어 손을 움직이고자 하는 지령을 발생시켰다는 것을 알 수 있으며, 뇌 자극 장치(200)는 일차운동영역(23)에서 손의 움직임과 관련된 영역만을 선별적으로 자극한다.

이와 함께 일차운동영역(23)로부터 손으로 연결되는 말초 신경계를 적절히 자극하면, 피험자가 의도한 정확한 손의 동작을 일으키는 것도 가능해질 것이다.

도 12와 도 13을 참조하여 설명된 적용례는 반드시 독립적으로 일어날 필요는 없으며, 복수의 뇌 자극 장치가 운동 신경 회로 중 운동 지령을 수행하는 일차운동 영역(하위 기능 영역)(23)과 환부(20)의 주변 영역을 동시에 자극하여, 신경 회로의 재배치 효과를 극대화할 수 있다.

본 실시예에 따른 시스템(10)에 따르면, 자신의 뇌 활동 상태에 기초하여 자극을 수행하고, 피험자가 느끼는 이질감이나 피로감이 감소되고, 무작위적인 자극에 따른 부작용이 발생하는 것을 막을 수 있다.

또한, 뇌 활동 상태에 따라 다양한 타겟 위치에 자극이 정확하게 이루어질 수 있으므로, 다양한 분야에 적용 가능하다.

아울러, 환자의 의도가 반영된 자극을 수행함으로써, 재활 내지 치료 효과를 극대화할 수 있다.

Claims (10)

1. 뇌의 활동 상태 정보를 검출하는 뇌 활동 검출 장치;
   뇌의 적어도 일부 영역을 자극하여 해당 영역의 뇌 신경 세포를 활성화 또는 비활성화시키는 뇌 자극 장치;
   상기 뇌 활동 검출 장치 및 상기 뇌 자극 장치를 제어하는 컴퓨터를 포함하고,
   상기 뇌 활동 검출 장치를 통해 피험체의 뇌("목표 뇌")의 뇌 활동 상태 정보를 획득하고, 상기 목표 뇌의 뇌 활동 상태 정보를 기초로 상기 뇌 자극 장치를 통해 상기 목표 뇌의 적어도 일부 영역을 자극하여 상기 목표 뇌의 기능을 조절하는 것을 특징으로 뇌-뇌 인터페이스 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 컴퓨터는 상기 뇌 활동 상태 정보를 통해, 특정 기능 수행을 위한 뇌 신경 회로의 활동 상태를 확인하고,
   상기 뇌 자극 장치가, 상기 뇌 신경 회로 중 비정상적으로 활성화 또는 비활성화된 영역을 자극하도록 하여 해당 영역을 비활성화 또는 활성화시키는 것을 특징으로 하는 뇌-뇌 인테페이스 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 컴퓨터는 상기 뇌 활동 상태 정보를 통해, 특정 기능 수행을 위한 뇌 영역의 활동 상태를 확인하고,
   상기 뇌 자극 장치가, 상기 특정 기능 수행과는 다른 기능 수행을 위한 다른 뇌 영역을 자극하도록 하여 상기 다른 뇌 영역을 활성화 또는 비활성화시키는 것을 특징으로 하는 뇌-뇌 인터페이스 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 목표 뇌에는 신경이 괴사한 환부가 존재하고,
   상기 뇌 자극 장치는 상기 목표 뇌의 임의 부위를 자극하여 상기 환부의 존재에 따른 상기 목표 뇌 전체의 불균형 상태를 해소하는 것을 특징으로 하는 뇌-뇌 인터페이스 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 뇌 자극 장치는, 상기 환부가 존재한 환측과, 상기 환부가 존재하지 않은 건측의 활성 상태가 상반되도록 상기 환측과 상기 건측을 동시에 자극하는 것을 특징으로 하는 뇌-뇌 인터페이스 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 목표 뇌에는 신경이 괴사하여 특정 기능 수행을 위한 뇌 신경 회로의 신호 전달 트랙을 차단하는 환부가 존재하고,
   상기 컴퓨터는 상기 특정 기능에 대한 지령을 내리는 상위 기능 영역의 활동 상태 정보가 획득되면,
   상기 뇌 자극 장치가 상기 목표 뇌의 임의 부위를 자극하도록 하여, 상기 환부를 우회하는 새로운 신호 전달 트랙의 형성을 돕는 것을 특징으로 하는 뇌-뇌 인터페이스 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 뇌 자극 장치가 상기 뇌 신경 회로 중 상기 지령을 수행하는 하위 기능 영역과, 상기 환부의 주변 영역을 동시에 자극하는 것을 특징으로 하는 뇌-뇌 인터페이스 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 목표 뇌에는 신경이 괴사하여 특정 기능 수행을 위한 뇌 신경 회로의 신호 전달 트랙을 차단하는 환부가 존재하고,
   상기 컴퓨터는 상기 특정 기능에 대한 지령을 내리는 상위 기능 영역의 활동 상태 정보가 획득되면,
   상기 뇌 자극 장치가 상기 뇌 신경 회로 중 상기 지령을 수행하는 하위 기능 영역을 자극하여, 상기 기능 수행을 돕는 것을 특징으로 하는 뇌-뇌 인터페이스 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 뇌 자극 장치는 저강도 초음파 빔을 하나 이상의 초점으로 집속할 수 있는 저강도 집속 초음파 장치인 것을 특징으로 하는 뇌-뇌 인터페이스 시스템.
10. 제8항에 있어서,
    상기 저강도 집속 초음파 장치는 상기 초점의 위치를 3차원적으로 이동시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 뇌-뇌 인터페이스 시스템.

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