KR20190097146A - 뇌 컴퓨터 인터페이스 시스템 및 그 사용 방법 - Google Patents

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메론 그리베츠
에릭 클라우드 루타드트
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이너 코스모스 엘엘씨
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Abstract

인지 능력을 조절하기 위한 뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI) 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 사용자의 하나 이상의 피질 영역에서의 신경 전기 활동과 관련된 신호를 감지하고 하나 이상의 표적 뇌 영역에 자극 신호를 제공하기 위한 하나 이상의 전극 세트, 하나 이상의 전극 세트와 통신하는 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러 및 적어도 하나의 전원을 포함한다. 상기 프로세서 / 컨트롤러는 인지 작업을 수행하려는 의도 및 / 또는 인지 작업의 제시 및 / 또는 인지 작업의 수행과 관련된 표지를 검출하기 위해 하나 이상의 피질 영역에서 감지된 신호를 처리하고, 상기 사용자의 인지 능력을 조절하기 위하여 상기 표지의 검출에 응답하여 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역의 자극을 제어하도록 프로그래밍 된다. 상기 표적 뇌 영역은 피질 영역, 뇌심부 구조 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.

Description

뇌 컴퓨터 인터페이스 시스템 및 그 사용 방법
본 출원은 2016년 12월 14일에 출원된 미국 가 특허 출원 62/433,946호와 2017년 3월 14일에 출원된 미국 가 특허출원 62/470,900호의 우선권 혜택을 주장하고, 이들의 내용은 그 전체가 참조로 본 출원에 병합된다.
본 발명은, 이들의 일부 실시 예에서, 사용자의 인지 능력을 증대 및/또는 향상 및/또는 개선하기 위한 것이다.
이러한 시스템은 일반 사용자의 기억, 작업 기억(Working Memory, WM) 학습 및 주의 집중을 향상 또는 증대시킬 수 있고, 인지 기능이 손상되거나 감소되어 신경 질환 및/또는 정신 신경계 장애 및/또는 정신 질환으로 고통 받는 환자의 인지 능력을 향상시키는데 이용된다.
뇌 컴퓨터 인터페이스(Brain Computer Interfaces, BCIs)는 신경 조직을 감지 및/또는 기록을 수행하고 이러한 조직의 뉴런들을 자극하기 위한 뇌 및 다른 유형의 신경 조직과 상호 작용하는데 사용되는 장치들 또는 시스템들이다. 이러한 BCI는 신경 활동과 관련된 신호(일반적으로, 전압 또는 전류 신호와 같은 일시적인 전기 신호)를 감지/기록하는데 사용된다. 현재, 대부분의 BCI들은 이차원(Two Dimensional, 2D) 또는 삼차원(Three Dimensional, 3D) 전극 어레이로 배열된 다수의 전기 전도성 전극들을 포함한다. 이러한 전극 어레이는 전극을 통해 적절한 전류를 통과시킴으로써 신경 활동과 관련된 전기 신호를 감지 및/또는 뉴런을 자극하는데 사용될 수 있다.
BCI들에 포함된 일부의 전극 또는 전극 세트는 예컨대, 두개 밖의 EEG 전극 어레이와 같이 비 침습적일 수 있지만, 다른 전극들 또는 전극 세트는 피질 표면에 배치된 유연한 두개 내의 뇌파도 전극 어레이와 같이 침습적일 수 있다. 다른 침습성 전극 어레이들은 (예컨대, 일반적으로 피질 표면 상에 배치될 수 있고 피질 조직의 처음 몇 밀리미터 이내 표면에 삽입될 수 있는 유타 어레이와 같은) 피질 조직 내로 삽입될 수 있다. 또 다른 전극 어레이는 스텐트(stents)에 배치될 수 있다. 이러한 스텐트는 최소 침습성 방법을 이용하여 혈관계를 통해 삽입 될 수 있고, 관련 뇌 영역에 가까운 뇌의 혈관에 배치될 수 있다.
본 출원의 BCI 시스템의 전극 세트(들)에 의해 감지 및 또는 기록되는 신호들은 단일 뉴런 세포 밖의 기록된 활동 전위(스파이크), 단일 또는 다수의 뉴런들로부터 세포 밖의 기록된 신경 활동 전위, 단일 또는 다수의 뉴런들로부터의 LFP(Local Field Potentials), 신경 세포의 집합체의 총 활성으로 인한 표면 기록된 영역 전위, ECoG 신호 및 세포 밖의 기록된 EEG 신호를 포함할 수 있다.
최근에는 환자의 결여된 다리를 대체하는 보철물의 작동/움직임을 제어하기 위해 운동 피질로부터의 신경 활동을 감지/기록 및/또는 감지/기록을 위한 자극 및 감지된 신호를 처리하는데 사용되는 이러한 BCI의 사용에 상당한 발전이 이루어졌다. 발전은 또한 사지마비환자의 운동 피질로부터 기록된 신호를 이용하여 환자가 전동 휠체어를 제어하거나 이러한 환자를 보조하기 위한 다양한 기능을 수행할 수 있는 컴퓨터와 같은 다른 디바이스를 제어할 수 있도록 한다.
시각 장애 환자를 돕기 위한 이러한 BCI의 다른 용도로는 외부 비디오 카메라에 의해 획득되고 시각 피질의 표면에 배치된 플렉서블 ECoG 전극 어레이 BCI에 의해 시각 장애 환자의 일차 시각 피질의 전기 자극을 제어하기 위해 처리된 시야의 이미지 사용을 포함한다. 시각 장애 환자에 의한 안내 섬광(phosphenes)의 인지는 환자의 탐색, 객체 식별 및 장애물 회피를 도울 수 있다.
복측피개영역(Ventral Tegmental Area, VTA)은 중간뇌(midbrain)의 일부이고, 흑질(substantia nigra)과 적핵(red nucleus)에 가까이 위치한다. 도파민과 세르토닌 뉴런에 풍부하고 두 개의 주요 도파민 경로(dopamine pathways)의 일부이다: 1. VTA와 측좌핵을 연결하는 중변연계경로(mesolimbic pathway); 2. VTA와 피질 영역을 연결하는 중뇌피질경로(mesocortical pathway). VTA는 인센티브와 행동 동기 부여의 주요 원천 중 하나인 쾌락 시스템, 또는 보상 회로의 일부로 여겨지고, 이하에 개시된 강화 학습 방법 및 시스템에 관련될 수 있다. 괘락을 주는 활동들은 복측피개영역을 활성화시키는 경향이 있고, (코카인과 같은) 각성제는 이 영역을 직접 표적으로 삼는다. 그러므로, 이것은 중독의 신경 생물학적 이론들에 널리 관련되어 있다. 이것은 또한 다양한 종류의 감정과 안전 동기 부여를 처리하는 것을 보여주고, 또한 회피와 공포 조건화(fear conditioning)에서 역할을 할 수 있다.
전전두피질(Prefrontal Cortex, PFC)은 뇌의 전두엽(frontal lobes)의 앞 부분이고, 운동과 전 운동 영역들의 앞에 위치한다. 세포 구축학적으로, 이것은 내과립층 IV(비과립 전운동피질과 대조적으로)의 존재로 정의된다. 외측 영역(lateral area), 안와전두(orbitofrontal area)와 중앙 전두엽 영역(medial prefrontal area)으로 나뉘어지며, 이 뇌 영역은 복잡한 인지 행동, 성격 표현을 계획 설정하고 사회적 행동을 올바르게 변화시키는 것으로 제시되어 있다. 이 뇌 영역의 기초 활동은 내적 목적에 따라 사고와 행동의 지휘라고 생각된다. 전전두피질 영역에 의해 실행된 기능에 대한 가장 전형적인 신경학적 용어는 집행 기능(Executive Function)이다. 집행 기능은 갈등을 일으키는 생각들 사이의 차이점을 구별하고, 좋고 나쁘고, 좀더 좋고 가장 좋은, 똑 같은 다른, 현재 활동의 미래 후속 결과, 특정한 목적을 향한 작업, 결과의 예측, 행동에 기초된 기대 그리고 사회적 “통제(control)”(억압되지 않은 경우, 사회적으로 용납될 수 없거나 불법적인 결과를 야기할 수 있는 충동을 억제하는 능력)를 결정하는 능력과 관련된다. 많은 저자들은 개인의 성격과 전전두 피질의 기능 간에 완전한 연결고리를 지적했다.
배외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)은 성인기까지 지속되는 매우 오랜 성숙 기간을 겪는 인간 뇌의 가장 최근에 진화된 부분 중 하나이다. DLPFC는 해부학적인 구조가 아니라 기능적인 구조이다. 이 영역은 인간의 중간 전두회(즉, Brodmann’s area(BA) 9 and 46의 외측 부분)와 짧은 꼬리 원숭이에 위치하고, 이 영역은 주요한 대뇌구의 주위(즉, Walker’s area 46)에 있다. 다른 소스들은 DLPFC는 BA 9와 46 및 BA 8, 9와 10에 해부학적으로 기여한다고 제시한다.
DLPFC는 안와전두피질(orbitofrontal cortex)과 시상(thalamus), 기저핵(basal ganglia)(특히, 배측 미상핵(dorsal caudate nucleus)), 해마(hippocampus)와 후 측두부 영역(posterior temporal area), 두정부 영역(parietal area)과 후두부 영역(occipital area)을 포함하는 신피질(neocortex)의 일차 및 이차 연합 영역을 포함하는 다양한 뇌 영역에 연결된다. DLPFC는 뇌에 자극과 상호 작용하는 방법을 알려주는 배측 경로(dorsal pathway)(배측 흐름(dorsal stream))의 끝 지점이다. DLPFC는 또한 운동 계획, 조직 및 규제와 관련된 가장 큰 피질 영역이다.
반면, 복측부 전전두 피질(ventrolateral prefrontal cortex)(DLPFC보다 하부/복부에 위치함)은 자극 특성에 대한 정보를 제공하는 복부 경로(ventral pathway)(복부 흐름(ventral stream))의 끝 지점이다. DLPFC의 중요한 기능은 작업 기억, 인지 유연성, 계획, 억제 및 추상화 추론과 같은 집행 기능이다. 그러나, DLPFC는 배타적으로 집행 기능에 책임이 있지 않다. 모든 복잡한 정신 활동은 DLPFC가 연결된 추가 피질과 보조 피질 회로가 필요하다.
A-not-B 업무, 지연 응답 업무와 개체 검색 업무와 같은 업무들은 DLPFC에 대한 연구에서 매우 중요했다. DLPFC에 가장 강하게 연결된 행동 작업은 피험자가 특정 지연 후 숨겨진 개체를 찾아야 하는 결합된 A-not-B/지연 응답 업무이다. 이 업무는 DLPFC의 기능 중 하나라고 여겨지는 마음에 정보를 유지하는 것 (작업 기억)이 필요하다. 작업 기억을 위한 DLPFC의 중요성은 성인 원숭이를 대상으로 한 연구에 의해 강력해졌다. DLPFC를 파괴하는 병변은 A-not-B/지연 응답 업무에 대한 원숭이의 수행 능력을 저해하는 반면, 다른 뇌 부위에 대한 병변은 이 업무에 대한 그들의 수행 능력을 저해하지 않았다.
DLPFC는 단일 항목의 기억을 위해 필요하지 않다. 따라서 DLPFC에 대한 손상은 인지 기억을 손상시키지 않는다. 그럼에도 불구하고, 두 항목을 기억에서 비교해야 한다면, DLPFC의 개입이 필요하다. 손상된 DLPFC를 가진 사람들은 두 개의 사진 중에서 선택할 수 있는 기회가 주어진 경우 잠시 후, 그들이 본 사진을 식별할 수 없다. 또한, 이전의 올바른 규칙에서 그들의 카드들을 지속적으로 구성하고, 현재의 올바른 규칙을 추적하지 못하기 때문에 이 피험자들은 또한 위스콘신 카드 분류 검사(Wisconsin Card-sorting test)에서 실패했다. 마찬가지로, DLPFC는 운전, 주의력 및 동기 부여의 기능 장애와 가장 관련이 있다. 가벼운 DLPFC 손상 환자들은 그들의 주위 환경에 무관심하고, 행동뿐 아니라 언어에서 자발적이지 않다. 환자들은 또한 그들이 아는 사람과 사건을 덜 의식할 수 있다. 한 사람의 이 영역에 대한 손상은 또한 자신들 및/또는 다른 사람들을 위해 일을 하는 것에 대한 동기 부여의 부족을 초래한다.
작업 기억은 마음 속에 다수의 일시적 정보를 능동적으로 유지하고 조작할 수 있는 시스템이다. DLPFC는 작업 기억에 중요하다. DLPFC에서 감소된 활동은 작업 기억 업무에 대한 성능 저하와 관련이 있다. 그러나, 뇌의 다른 영역들은 작업 기억에도 관련되어 있다.
지속적인 논의가 있다. DLPFC가 작업 기억의 한 유형 즉, 일반 항목들을 모니터링하고 조작하기 위한 계산 메커니즘으로 특화되어 있는지, 또는 더 구체적인 하위 항목 즉, 공간 시각 관련 정보를 다루도록 더 특화되었는지 여부는 아직 명확하지 않다. 공간 시각 관련 정보는 공간 영역 내에서 좌표를 정신적으로 표현하는 것이 가능하도록 한다.
locus caeruleus 또는 locus coeruleus (‘the blue spot’에 대한 라틴어)로 쓰여진, 청반(Locus Ceruleus, LC)은 스트레스(stress)와 공항(panic)에 대한 인체 생리 반응을 담당하는 뇌 줄기(brain stem)의 핵(nucleus)이다. 청반(또는 “LC”)은 제4 뇌실에 의해 둘러싸인 후단 중간뇌의 소뇌 아래에 있는 상부 다리뇌의 배벽에 있다. 이 핵은 뇌의 노르에피네프린(norepinephrine)의 주요 소스 중 하나이고, 대부분 중간 크기의 뉴런들로 구성된다. LC 내부의 멜라닌 과립은 청색에 기여한다. 이는 짙은 색소가 있는 교뇌의 핵이라는 의미로, 색소 교핵(nucleus pigmentosus pontis)으로 잘 알려져 있다. 신경 멜라닌은 노르에피네프린의 중합으로 형성되고, 흑질의 블랙 도파민 기반 신경 멜라닌과 유사하다. 이 핵의 투사는 널리 도달하여 척수(spinal cord), 뇌줄기(brain stem), 소뇌(cerebellum), 시상하부(hypothalamus), 시상중계핵(thalamic relay nuclei), 편도체(amygdala), 기저 종뇌(basal telencephalon), 및 피질(cortex)을 자극한다. LC의 노르에피네프린은 뇌의 대부분에 흥분 효과(excitatory effect)를 미쳐 각성을 매개하고, 자극에 의해 활성화된 뇌의 뉴런들을 대비시킨다. 단일 노르아드레너직 뉴런은 가지들을 통해 모든 대뇌 피질을 자극할 수 있다고 알려져 있다.
해마는 측두엽(temporal lobe) 안쪽에 위치한 뇌의 일부분이다 (인간은 두 개의 해마가 있는데, 뇌의 각 면에 하나씩 있다). 이것은 변연계(limbic system)의 일부로 형성되고, 기억과 탐색에 참여한다. 그 이름은 뇌의 관상 단면에 있는 곡선 모양에서 비롯됐다. 일부는 해마(seahorse)와 비슷하다(그리스어: hippokampos). 알츠하이머 질환에서, 해마는 손상된 뇌의 첫번째 영역 중 하나가 된다. 기억 상실과 방향 감각 상실이 첫 증상 중 하나로 나타난다. 해마에 대한 손상은 산소 결핍(무산소증)과 뇌염으로 인해 발생될 수 있다. 동물의 해부학에서, 해마는 계통 발생적으로 가장 오래된 뇌의 일부 중 하나이다. 원시 피질로부터의 해마 출현은 영장류와 고래목 해양 포유류에서 가장 두드러진다. 그럼에도 불구하고, 영장류에서 해마는 가장 젊은 종 특히, 인간들 중에서 대뇌 피질에 비례하여 종뇌를 적게 차지한다. 영장류에서 해마 부피의 상당한 발달은 신피질의 발달보다 뇌 질량의 전반적인 증가와 더 관련이 있다.
해마와 인접 피질을 기술하는 용어와 관련하여 합의가 이루어지지 않았지만 해마라는 용어는 일반적으로 치상회(dentate gyrus), 필드 CA1-CA3 (또는 CA4, 흔히 hilus로 불리며, 치상회의 일부로 여겨진다), 및 해마이행부(subiculum)에 적용한다. CA1과 CA3 필들들은 해마를 구성한다.
해마를 통한 정보의 흐름은 각 단계에서 추가적인 입력 정보를 가지고 CA3-CA1까지의 치상회로부터 해마이행부로 진행되고, 두 개의 마지막 단계 각각에서 출력된다. CA2는 단지 해마의 가장 작은 부분을 나타내고, 이 작은 영역은 보통 뇌전증(epilepsy)과 같은 많은 양의 세포 손상을 야기하는 상태에 대한 비정상적인 저항을 보이는 것에 주목할만하지만, 이의 존재는 해마 기능에 대한 설명에서 종종 무시된다.
내후각피질(뿐만 아니라, 주변 후피질)로부터 우선적으로 정보를 가져오는 관통로(perforant path)는 일반적으로 해마에 대한 주요 소스의 입력으로 간주된다. 내후각피질(Entorhinal Cortex, EC)의 Layer II는 치상회와 필드 CA3에 입력을 제공하고, EC layer III은 필드 CA1과 해마이행부에 입력을 제공한다. 해마의 주요 출력 경로는 관통로, 대상 다발(cingulum bundle), 및 뇌궁(fimbria/fornix)이고, 모두 필드 CA1과 해아미행부로부터 발생된다.
EC layer II로부터의 관통로 입력은 치상회로 들어가고, 영역 CA3 (그리고 치상회의 hilus에 위치한 태상 세포로 전달되고 치상회의 다른 부분으로 정보를 보내고, 여기서 주기는 반복된다)으로 전달된다. 영역 CA3은 이 입력과 EC layer II로부터의 신호를 결합하고 영역 내에서 광범위한 연결들로 보내고, 또한 Schaffer collaterals로 불리는 한 세트의 섬유를 통해 영역 CA1에 연결을 보낸다. 영역 CA1은 영역 EC layer III 뿐만 아니라 CA3으로부터 입력을 수신한다. 그리고 앞서 언급한 해마의 출력 경로를 따라 정보를 전송할 뿐만 아니라 해마이행부로 투사한다. 해마이행부는 해마의 출력 경로를 따라 정보를 전송하기 위해 CA1 투사와 EC layer III 으로부터의 정보를 결합하는 경로의 최종 단계이다. 이 영역들 각각은 해마의 정보 처리에서 독특한 기능적 역할을 한다는 것이 널리 받아들여지고 있지만, 지금까지 각 영역의 구체적인 기여도는 잘 알려져 있지 않다.
심리학자들과 신경과학자들은 해마의 정확한 역할에 대해 논쟁하지만, 일반적으로 경험했던 사건들(일화 또는 자전적 기억)에 대한 새로운 기억의 형성에 필수적인 역할을 한다는데 동의한다. 일부 연구자들은 해마가 일반적인 서술 기억을 담당하는 더 큰 내측 측두엽 기억 시스템의 일부로 여기는 것을 선호한다 (명시적으로 말로 표현할 수 있는 기억들-예컨대, 에피소드 기억에 더하여 사실에 대한 기억을 포함한다).
일부 증거는 이러한 형태의 기억이 종종 평생 지속 되더라도 해마는 통합 기간 후에 기억을 유지하는데 중요한 역할을 중단한다는 아이디어를 지지한다. 해마에 대한 손상은 보통 새로운 기억을 형성하는데 심대한 어려움을 야기하고 (진행성 기억상실(anterograde amnesia)), 일반적으로 또한 손상 이전의 기억에 대한 접근에도 영향을 미친다 (역행성 건망증(retrograde amnesia)). 비록 역행 효과는 일반적으로 뇌 손상 몇 년 전으로 연장되더라도, 일부 경우에 오래된 기억들이 남아 있다. 이 조금의 오래된 기억들은 시간이 지남에 따른 통합이 해마에서 뇌의 다른 부분으로 기억의 전송을 수반한다는 아이디어로 이어진다. 그러나 실험은 조금의 오래된 기억들을 시험하는데 어려움을 겪는다; 그리고 일부 역행성 건망증의 경우, 조금의 오래된 기억들은 해마에 손상이 발생하기 수십 년 전 형성된 기억에 영향을 미치기 때문에 이러한 오래된 기억들을 유지하는 역할은 논란의 여지가 있다.
해마에 대한 손상은 새로운 기술을 배우는 능력(예컨대, 악기 연주)과 같은 기억의 일부 측면에 영향을 미치지 않고, 이런 능력은 다른 종류의 기억(절차적 기억(procedural memory))과 다른 뇌 영역에 의존하는 것을 시사한다. 게다가, 환자 HM(간질의 치료로 내측 측두엽이 양측으로 제거된 환자)이 새로운 의미 기억을 형성할 수 있음을 암시하는 증거가 있다.
일부 증거는 해마가 정보를 저장하고 처리하는 것을 의미한다. 쥐를 대상으로 한 연구는 해마의 뉴런이 공간 불꽃 필드를 갖는다는 것을 보여준다. 이러한 세포는 장소 세포(place cell)라 불린다. 일부 세포는 이동 방향과 관계없이 동물이 특정 위치에서 자신을 찾을 때, 발화하는 반면, 대부분은 머리 방향과 이동 방향에 적어도 부분적으로 민감하다. 쥐의 경우, 스플리터 세포(splitter cell)이라 불리는 일부 세포들은 동물의 최근 과거(회고) 또는 향후 미래(장래)에 따라 발화를 변경할 수 있다. 서로 다른 세포들은 다른 위치에서 점화되기 때문에 세포가 단독으로 발화될 때, 동물이 어디에 있는지를 말할 수 있다. 장소 세포는 이제 가상 현실 마을에서 서로를 잘 찾는 인간에게서 발견된다. 이 발견은 심각한 간질에 대한 수술 치료의 진단 부분으로 그들의 뇌에 이식된 전극을 가진 사람들을 대상으로 한 연구 결과이다.
장소 세포의 발견은 해마가 환경 레이아웃의 신경 표현인 인지 지도의 역할을 할 수 있다는 아이디어를 이끌어낸다. 최근 증거는 해마가 탐색 내에서 보다 근본적인 과정에서 아주 중요하다는 이러한 관점에서 의문을 제기하고 있다. 그럼에도 불구하고, 동물을 대상으로 한 연구는 간단한 공간 기억 업무(예컨대, 숨겨진 목표로 돌아가는 길 찾기)에 손상되지 않은 해마가 필요하다는 것을 보여준다.
완전한 기능을 하는 해마가 없다면, 인간은 그들이 갔던 장소와 그들이 가고자 하는 곳을 아는 방법을 성공적으로 기억하지 못할 수 있다. 연구자들은 해마가 유사한 장소들 사이에서 지름길과 새로운 경로를 찾는데 특히 중요한 역할을 한다고 믿는다. 일부 사람들은 다른 사람들보다 이런 종류의 탐색 시에 더 기량을 보인다. 그리고 뇌 영상은 이러한 개인들이 탐색할 때 더 활동적인 해마를 가지고 있음을 보여준다.
편도체(라틴어, corpus amygdaloideum)는 뇌의 내측 측두엽에 깊숙히 위치한 아몬드 형태의 뉴런 세트이다. 감정 처리에 주요한 역할을 하는 편도체는 변연계의 부분으로 형성됨을 보여준다. 인간과 다른 동물들에서, 이 하부피질 뇌 구조는 두려움 반응과 쾌락과 관련된다. 편도체의 크기는 종 전체의 공격적인 행동과 분명히 상관 관계가 있다. 인간에서, 이는 가장 성적 이형 뇌 구조(sexually dimorphic brain structure)이고, 거세를 할 경우 남성의 30%이상이 줄어든다. 불안, 자폐증, 우울증, 외상후 스트레스 장애, 공포증과 같은 상태는 손상, 발달 문제 또는 신경 전달 물질 불균형으로 인해 편도체가 비정상적으로 기능하는 것과 관련이 있다고 의심된다. 편도체는 실제로 해부학자들이 핵의 근접함에 의해 서로를 함께 그룹화하는 몇몇 개별적으로 기능하는 핵이다. 이러한 핵 중 주요 핵은 기저측 복합체(basolateral complex), 중심 내측핵(centromedial nucleus), 피질핵(cortical nucleus)이다.
기저측 복합체는 외측핵(lateral nuclei), 기저핵(basal nuclei), 보조 기저핵(accessory basal nuclei)으로 더 세분될 수 있다. 중심 내측 핵뿐만 아니라 기저측 복합체의 나머지 모두에 구심성인 외측 편도체(lateral amygdala)는 감각 시스템으로부터 입력을 수신하고, 쥐의 공포 조건화를 위해 필요하다. 중심 내측 핵(centromedial nucleus)은 기저측 복합체의 주요 출력이고, 쥐와 고양이의 정서적 각성에 관련된다. 편도체는 교감 신경계(sympathetic nervous system)의 활성화를 위한 시상하부(hypothalamus)로, 반사 증가를 위한 망상핵(reticular nucleus)으로, 두려움에 대한 안면 표정을 위해 3차 신경과 안면 신경의 핵에, 그리고 도파민, 노르에피네프린, 에피네프린의 활성화를 위해 중추 복측피개영역, 청반과 측등 중추피개구 핵으로 자극을 보낸다. 피질핵(cortical nucleus)은 후각 및 페로몬 처리에 연관된다. 피질핵은 후각구(olfactory bulb)와 후각피질(olfactory cortex)로부터의 입력을 수신한다.
인간을 포함한 고등 척추 동물에서 편도체의 주요 기능은 감정적인 사건의 기억들을 형성 및 저장하는 것이다. 편도체에 대한 손상은 감정 반응에 대한 고전적 조건화(classical conditioning)의 한 형태인, 파브로브의 공포 조건화의 실행과 표현 모두를 손상시킨다. 연구는 공포 조간화 동안 감각 자극들이 그들이 연관되는 기저측 복합체, 특히, 편도체의 측핵에 도달한다고 제시한다. 그들이 예측하는 자극과 혐오적 사건과의 연관은 오래 지속되는 시냅스 가소성의 형태인 장기 효력증가(long-term potentiation )에 의해 조정될 것이다. 측핵 시냅스에 저장된 감정적 경험에 대한 기억들은 편도체의 중추핵과의 연결을 통해 공포 행동을 도출해낸다. 많은 공포 반응의 기원(genesis)에 관련하고, 소름끼침(부동), 빈맥(급속한 심장박동), 호흡 증가 및 스트레스 호르몬 방출을 포함한다.
편도체는 또한 정적 조건화(positive conditioning)에 관여한다. 서로 다른 뉴런들이 긍정적 및 부정적 자극에 반응을 하는 것으로 보이지만, 이러한 뚜렷한 뉴런들의 확실한 해부학적 핵으로의 군집화는 없다. 학습된 공포 반응의 억제는 인간의 외상 후 스트레스 장애 및 공포증과 같은 두려움과 불안장애에 대한 치료적 개입(therapeutic interventions)의 중요한 목표이다. 증거는 편도체가 공포 조건화뿐만 아니라 공포 반응의 소멸에도 관련한다는 것을 제시한다. 공포 신호가 여러 번 나타날 때 발생하는 소멸(extinction)은 이러한 신호에 대한 공포 반응을 감소시킨다. 소멸 훈련은 공포 기억을 제거하지 못한다. 그러나 그것은 원래의 공포를 억제하는 새로운 학습을 동반한다. 소멸 학습(적어도 공포 반응에 대한) 또한 편도체에서 시냅스 가소성이 필요할 수 있다는 점이 흥미로운 사실이다. 체계적 둔감(Systematic desensitization)은 소멸 훈련에 의존하는 불안에 대한 행동 치료의 한 형태이다.
편도체는 또한 기억 고정(memory consolidation)의 변화에서 중요한 역할을 한다. 어떠한 학습 사건에 따라서, 사건에 대한 장기 기억(long-term memory)은 순간적으로 형성되는 것이 아니다. 오히려, 사건에 관련된 정보들이 상대적으로 영구적인 상태에 도달할 때까지 시간이 흐르면서 장기 저장에 서서히 저장된다. 고정 기간 동안에, 기억은 변화될 수 있다. 특히, 학습 사건에 따르는 감정적 각성은 그러한 사건에 대한 수반되는 기억의 세기에 영향을 미치는 것으로 나타난다. 학습 사건에 따르는 보다 큰 감정적 각성은 그러한 사건에 대한 사람의 기억(retention)을 강화시킨다. 실험들은 그들이 무엇인가를 학습한 후에 즉시 개별적인 스트레스 호르몬 투여는 2주 후에 검사 받을 때 그들의 기억을 강화시킴을 보여준다.
편도체는 특히, 기저측 편도체는 James McGaugh의 실험을 포함하는 많은 실험들에서 볼 수 있듯이 감정적 각성이 사건에 대한 기억의 세기에 미치는 영향을 조정하는데 중요한 역할을 한다. 이러한 실험들은 다양한 학습 업무에 대해 동물들을 훈련시켰고, 훈련 이후에 편도체에 투약된 약물들이 동물의 지속적인 업무 유지에 영향을 준다는 것을 발견했다. 이러한 업무는, 억제하는 회피와 같은 기본적인 고전적 조건화 업무 (한 마리의 쥐가 가벼운 발 쇼크와 장치의 특별한 칸을 연관시키는 것을 배우는 곳) 및 공간적 또는 암시적 물 미로와 같은 복잡한 업무 (한 마리의 쥐가 물을 피하기 위해 플랫폼으로 수영하는 것을 배우는 곳)를 포함한다. 편도체를 활성화는 약물이 편도체 내에 투약되면, 동물은 업무에 있어 훈련을 위해 보다 나은 기억을 갖게 된다. 편도체를 비활성화하는 약물이 투약되는 경우, 동물은 업무를 위해 손상된 기억을 갖는다. 기억 고정 변화에 있어 편도체의 중요성에도 불구하고, 학습은 편도체 없이 일어날 수 있지만 그러한 학습이 편도체 손상에 따르는 공포 조건화 장애처럼 손상되어 나타난다.
인간과 행한 작업에서 얻은 증거는 편도체가 유사한 역할을 한다는 것을 나타낸다. 정보를 부호화하는 시간에 편도체 활성화는 정보에 대한 보유와 연관이 있다. 그러나 이 연관성은 정보의 상대적인 “감정적임(emotionalness)”에 달려 있다. 보다 감정적으로 각성하는 정보는 편도체 활성화를 증가시키고, 그러한 활성화는 보유와 연관이 있다.
쥐를 대상으로 한 실험은 편도체가 약물 남용에 대한 다양한 단서를 배우는데 관련됨을 암시한다. 약물 중독의 주요 문제점 중 하나는 개인이 장기간 약물을 복용하지 않더라도 약물 관련 신호가 개인에게 커다란 갈망을 유도한다는 것이 잘 알려져 있다. 기저측 편도체는 그들이 예측하는 신호와 보상 간의 연관성에 대한 초기 학습에서 중요한 역할을 한다. 게다가, 기저측 편도체의 불활성화는 약물 자기 관리 패러다임에서 주의 회복을 유도하는 신호의 능력을 방지한다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 사용자의 인지 능력을 보강 및 / 또는 보조 및 / 또는 개선하기위한 뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI) 시스템이 제공된다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예에 따라, 사용자의 인지 능력을 보강 및 / 또는 보조 및 / 또는 개선하기위한 뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI) 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 사용자의 하나 이상의 피질 영역에서의 신경 전기 활동과 관련된 신호를 감지하고 하나 이상의 표적 뇌 영역에 자극 신호를 제공하기 위한 하나 이상의 전극 세트를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 하나 이상의 전극 세트와 통신하는 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러를 더 포함한다. 상기 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러는 인지 작업을 수행하기 위한 의도와 관련되는 표지(indication)의 검출 및 / 또는 인지 작업의 제시 및 / 또는 인지 작업의 수행을 위해 하나 이상의 피질 영역에서 감지된 신호를 처리하며, 그리고 상기 사용자의 인지 능력의 보강 및 / 또는 보조 및 / 또는 향상시키기 위한 상기 표지의 검출에 응답하여 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역의 자극을 제어하도록 프로그램된다. 또한, 상기 시스템은 BCI 시스템에 전원을 공급하기 위한 적어도 하나의 전원을 포함한다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역은 상기 사용자의 하나 이상의 뇌 심부 구조, 상기 사용자의 하나 이상의 피질 영역 및 하나 이상의 피질 영역과 하나 이상의 뇌 심부 구조의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 피질 영역은 전액골 피질(prefrontal cortex, PFC), 상기 전액골 피질의 일부, 배외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC), 상기 배외측 전전두피질의 일부, 측두두정 피질(temporoparietal cortex, TPC), 상기 측두두정 피질의 일부, 하전두이랑 (inferior frontal gyrus, IFG), 상기 하전두이랑의 일부, 측두 두정 연접부(temporal parietal junction, TPJ), 상기 측두 두정 연접부의 일부 및 이들의 임의의 조합을 포함한다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 뇌 심부 구조는 복측피개영역(ventral tegmental area, VTA), 선조체(striatum), 미상핵(caudate nucleus), 조가비핵(putamen), 측좌 핵(nucleus accumbens, NA), 청반(locus ceruleus), 해마(hippocampus), 편도체(amygdala), 중변연계(meso-limbic system)의 뇌 심부 구조, 학습, 기억 및 집중을 강화 및 / 또는 촉진하는데 기능적으로 참여하는 뇌 심부 구조, 뇌의 피질 하부 영역, 흑질(substantia nigra), 배후 선조체(dorsal striatum), 중뇌 피질계(mesocortical system)내의 변연 구조물의 일부, 흑질 선조체 시스템(nigrostriatal system)의 일부, 결절 누두계(teberoinfundibular system)의 일부, 뇌궁(fornix), 마이네르트 기저핵(nucleus basalis of Meynert, NBM), 미상핵(anterior caudate nucleus), 배후 선조체(dorsal striatum), 시상전핵(anterior thalamic nucleus), 중심 시상(central thalamus), 외측 시상하부(lateral hypothalamus), 슬하대상영역(subgenual cingulated region)(BA25), 내후각 피질(enthorinal cortex), 해마 관통로(perforant path), 중앙 전두엽(medial frontal lobe), 시상하핵(subthalamic nucleus) 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 인지 능력은 주의 집중 능력, 기억 능력, 단기 메모리 능력, 학습 능력, 기억 검색 능력, 업무 기억 능력 및 이들의 임의의 조합 중 하나 이상을 포함한다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 인지 작업은 주의 집중 작업, 주의 유지 작업, 기억 작업, 단기 기억 요구 작업, 학습 작업, 기억 검색 작업 및 이들의 임의의 조합에서 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 사용자는 정상 사용자 및 신경 장애, 정신 장애 또는 신경-정신병 장애를 갖는 사용자로부터 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 신경 장애 또는 정신 장애 또는 신경-정신병 장애는 ADHD, ADD, 학습 결핍, 주의 관련 결핍 또는 기능 이상, 기억 상실, 기억 관련 기능 이상, 불안, 우울증 , 외상성 뇌 손상, 뇌졸중, 치매, 신경 변성 장애 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 전극 세트는 시각 피질 영역, 일차 시각 피질 영역(V1), 시각 피질의 내측두엽, 운동 피질 영역, 전 운동 피질 영역, 몸 감각 피질 영역, 청각 피질 영역, 우측 피질 후두엽의 근심 표면, 연관 피질, 일차 시각 피질, 시각 피질의 다른 영역, 청각 피질, 운동 피질, BA17, BA18, BA19, BA7, BA6, BA5, BA4 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 상기 사용자의 하나 이상의 추가 피질 영역에서의 신경 전기 활동을 감지하고 및 / 또는 자극하도록 구성된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 전극 세트는 비 침습성 전극 세트, 침습성 전극 세트 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 전극 세트는,
1) 하나 이상의 피질 영역에서 감지를 수행하고 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역을 자극하도록 구성된 적어도 하나의 감지 및 자극 전극 세트,
2) 하나 이상의 피질 영역에서 감지를 수행하도록 구성된 적어도 하나의 감지 전극 세트 및 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역을 자극하기 위한 적어도 하나의 자극 전극 세트,
3) 하나 이상의 피질 영역에서 감지를 수행하고 상기 하나 이상의 피질 영역의 적어도 하나의 피질 영역을 자극하도록 구성된 적어도 하나의 전극 세트, 및
4) DLPFC에서 감지하고 상기 DLPFC를 자극하도록 구성된 적어도 하나의 전극 세트로부터 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 전극 세트는,
1) 하나 이상의 피질 영역에서의 신경 전기 활동과 관련된 신호를 감지하도록 구성된 적어도 하나의 전극 세트와, 측두부 간섭(TI) 전기장을 사용하여 하나 이상의 뇌 심부 구조를 자극하도록 구성된 적어도 하나의 전극 세트와,
2) 하나 이상의 피질 영역에서의 신경 전기 활동과 관련된 신호를 감지하고 측두부 간섭(TI) 전기장을 사용하여 하나 이상의 뇌 심부 구조를 자극하도록 구성된 적어도 하나의 전극 세트로부터 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 전극 세트는 2 이상의 전극을 포함하는 전극 어셈블리, 다중 전극 어레이, 이식 가능한 전극 어레이, 주사 가능한 메쉬 전극 어레이, 다중화 가능한 전극 어레이, 플렉서블 전극 어레이, 피질 표면에 적용 가능한 플렉서블 전극 어레이, 선형 전극 어레이, Ecog 표면 전극 어레이, μEcog 전극 어레이, 피질 내 삽입 가능한 전극 어레이, 스텐트 전극, 스텐트 전극 어레이, 신경 먼지(neural dust) 감지 디바이스, EEG 전극, 상기 두피의 아래에 이식된 전극을 2 개 이상 포함하는 전극 세트, 비 침습적 경두개 주파수 간섭 자극(NTIS)을 수행하도록 구성된 전극 세트, 두개 내 주파수 간섭 자극을 수행하도록 구성된 전극 세트 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 신경 전기 활동과 관련된 신호는 세포 외 기록 된 단일 신경 세포 활동 전위, 세포 외 기록된 전기장 전위 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 시스템은 외부 텔레메트리 유닛과 무선 통신하기 위해 상기 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러와 통신하는 텔레메트리 유닛을 더 포함한다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 표지는, 하나 이상의 주파수 대역에서 감지된 신호의 위상 변경, 하나 이상의 주파수 대역에서 감지된 신호의 계산된 스펙트럼 전력의 변경, 및 이들의 임의의 조합을 포함한다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 주파수 대역은 델타(delta) 대역, 쎄타(theta) 대역, 뮤(mu) 대역, 알파(alpha) 대역, 베타(beta) 대역 및 감마(gamma) 대역, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러는 사용자의 두개골 외부의 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러, 적어도 하나의 두개 내(intracranial) 프로세서 / 컨트롤러, 적어도 하나의 웨어러블 프로세서 컨트롤러,　적어도 하나의 원격 프로세서 / 컨트롤러, 적어도 하나의 디지털 신호 프로세서(DSP), 적어도 하나의 그래픽 처리 장치(GPU), 적어도 하나의 양자 컴퓨팅 장치(QCD), 양자 컴퓨터 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 표지는, 베타 주파수 대역에서 계산된 가중 위상 지연 지수(wPLI)의 변경, 감마 주파수 대역에서의 계산된 스펙트럼 전력(Pγ)의 변경 및 베타 주파수 대역에서 하나 이상의 전극 쌍에서 감지된 피질 전기적 활동의 베타 주파수 대역에서의 계산된 wPLI의 변경 및 감마 주파수 대역에서의 스펙트럼 전력의 변경으로부터 선택된다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 전원은, 사용자의 두개골 외부의 적어도 하나의 전원, 적어도 하나의 두개 내 전원, 적어도 하나의 웨어러블 전원, 두개 외부 전원으로부터 전력을 무선으로 수신하기 위한 적어도 하나의 두개 내 전력 수신기,　두개 외부 전원으로부터 전력을 무선으로 수신하고 저장하기 위한 적어도 하나의 두개 내 전력 수신기,　두개 외부적(extracranially)으로 배치된 유도 코일로부터 전력을 수신하도록 고안된 적어도 하나의 두개 내에 이식된 유도 코일 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
또한, 본 발명의 방법의 일부 실시예에 따라, 사용자의 인지 능력을 보강 및 / 또는 보조 및 / 또는 개선하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 하나 이상의 피질 영역에서의 신경 활동과 관련된 신호를 감지하는 단계; 인지 작업을 수행하기 위한 의도 및 / 또는 인지 작업의 제시 및 / 또는 인지 작업의 수행과 관련된 표지를 검출하기 위해 상기 신호를 처리하는 단계; 및 사용자의 인지 능력을 향상 및 / 또는 개선 및 / 또는 보조하기 위한 표지의 검출에 응답하여 상기 사용자의 하나 이상의 표적 뇌 영역을 자극하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역은, 하나 이상의 뇌 심부 구조, 하나 이상의 피질 영역, 및 하나 이상의 뇌 심부 구조와 하나 이상의 피질 영역의 조합으로부터 선택된다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 사용자는 정상 사용자 및 신경 장애 및 / 또는 정신 장애 및 / 또는 신경 정신병 장애를 가진 사용자로부터 선택된다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 사용자는 신경 장애 및 / 또는 정신 장애 및 / 또는 신경 정신병 장애를 가진 사용자이고, 상기 자극하는 단계는 상기 자극하는 단계가 수행되지 않을 때의 상기 사용자의 인지 능력과 비교하여 상기 사용자의 인지 능력을 향상시킨다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 신경 장애 및 / 또는 정신 장애 및 / 또는 신경 정신병 장애는 ADHD, ADD, OCD, 불안, 우울증, 학습 결핍증, 기억 상실, 외상성 뇌 손상, 뇌졸중, 치매, 신경 퇴행성 장애 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 사용자는 정상적인 사용자이고, 상기 자극하는 단계는 상기 자극하는 단계가 수행되지 않을 때의 상기 사용자의 인지 능력과 비교하여 상기 사용자의 인지 능력을 향상시킨다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 피질 영역은 전액골 피질(prefrontal cortex, PFC), 상기 전액골 피질의 일부, 배외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC), 상기 배외측 전전두피질의 일부, 측두두정 피질(temporoparietal cortex, TPC), 상기 측두두정 피질의 일부, 하전두이랑 (inferior frontal gyrus, IFG), 상기 하전두이랑의 일부, 측두 두정 연접부(temporal parietal junction, TPJ), 상기 측두 두정 연접부의 일부 및 이들의 임의의 조합을 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 감지하는 단계는, 시각 피질 영역, 일차 시각 피질 영역(V1), 시각 피질의 내측두엽, 운동 피질 영역, 전 운동 피질 영역, 몸 감각 피질 영역, 청각 피질 영역, 우측 피질 후두엽의 근심 표면, 연관 피질, 일차 시각 피질, 시각 피질의 다른 영역, 청각 피질, 운동 피질, BA17, BA18, BA19, BA7, BA6, BA5, BA4 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 상기 사용자의 하나 이상의 추가 피질 영역에서의 신경 전기 활동을 감지하고 및 / 또는 자극하는 단계를 더 포함하고, 상기 처리하는 단계는 인지 작업을 수행하려는 의도 및 / 또는 인지 작업의 제시와 관련된 표지를 검출하기 위해 상기 추가 피질 영역에서 감지된 신호를 처리하는 단계 및 / 또는 인지 작업을 수행하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 뇌 심부 구조는 복측피개영역(ventral tegmental area, VTA), 선조체(striatum), 미상핵(caudate nucleus), 조가비핵(putamen), 측좌 핵(nucleus accumbens, NA), 청반(locus ceruleus), 해마(hippocampus), 편도체(amygdala), 중변연계(meso-limbic system)의 뇌 심부 구조, 학습, 기억 및 집중을 강화 및 / 또는 촉진하는데 기능적으로 참여하는 뇌 심부 구조, 뇌의 피질 하부 영역, 흑질(substantia nigra), 배후 선조체(dorsal striatum), 중뇌 피질계(mesocortical system)내의 변연 구조물의 일부, 흑질 선조체 시스템(nigrostriatal system)의 일부, 결절 누두계(teberoinfundibular system)의 일부, 뇌궁(fornix), 마이네르트 기저핵(nucleus basalis of Meynert, NBM), 미상핵(anterior caudate nucleus), 배후 선조체(dorsal striatum), 시상전핵(anterior thalamic nucleus), 중심 시상(central thalamus), 외측 시상하부(lateral hypothalamus), 슬하대상영역(subgenual cingulated region)(BA25), 내후각 피질(enthorinal cortex), 해마 관통로(perforant path), 중앙 전두엽(medial frontal lobe), 시상하핵(subthalamic nucleus) 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 자극하는 단계는, 상기 사용자의 인지 능력을 향상시키기 위해 하나 이상의 뇌 심부 구조를 자극하는 단계, 상기 사용자의 인지 능력을 향상시키기 위해 하나 이상의 뇌 심부 구조 및 하나 이상의 피질 영역을 자극하는 단계, 및 상기 사용자의 인지 능력을 향상시키기 위해 하나 이상의 피질 영역을 자극하는 단계로부터 선택된다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 자극하는 단계는 전액골 피질(prefrontal cortex, PFC), 상기 전액골 피질의 일부, 배외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC), 상기 배외측 전전두피질의 일부, 측두두정 피질(temporoparietal cortex, TPC), 상기 측두두정 피질의 일부, 하전두이랑 (inferior frontal gyrus, IFG), 상기 하전두이랑의 일부, 측두 두정 연접부(temporal parietal junction, TPJ), 상기 측두 두정 연접부의 일부 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 하나 이상의 피질 영역을 자극하여 상기 사용자의 인지 능력을 강화 및 / 또는 증대 및 / 또는 개선하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 감지하는 단계, 상기 처리하는 단계 및 상기 자극하는 단계는 자동으로 수행된다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 감지하는 단계, 상기 처리하는 단계 및 상기 자극하는 단계로부터 선택된 하나 이상의 단계는 상기 사용자에 의하여 제어된다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 1) 상기 사용자의 시각 피질을 자극하여 상기 사용자가 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)의 가상 이미지를 인지하게 하는 단계,
2) 운동을 수행하기 위한 자발적인 의도 또는 움직임을 수행하거나 움직임을 수행하는 상상과 관련된 상기 사용자 신호의 운동 피질을 감지하는 단계, 및
3) 상기 그래픽 사용자 인터페이스의 가상 이미지와의 상호 작용을 수행하여 감지, 처리 및 자극하는 단계들로부터 선택된 하나 이상의 단계들의 수행을 제어하기 위해 상기 운동 피질에서 감지된 신호들을 처리하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 처리하는 단계는, 커널 분석, 주성분 분석, 스펙트럼 분석법, 공통 공간 패턴법(common spatial patterns method, CSP), 분석 CSP (ACSP), 시간 영역 분석 방법, 주파수 영역 분석 방법, 감시 패턴 분류 방법, 클러스터 탐색 방법, 우도 함수 및 통계적 결정 방법을 이용하여 처리하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 표지는, 하나 이상의 주파수 대역에서 감지된 신호의 위상 변경, 하나 이상의 주파수 대역에서 감지된 신호의 계산된 스펙트럼 전력의 변경, 및이들의 임의의 조합을 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 주파수 대역은 델타(delta) 대역, 쎄타(theta) 대역, 뮤(mu) 대역, 알파(alpha) 대역, 베타(beta) 대역 및 감마(gamma) 대역, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 인지하는 및 상기 자극하는 단계는 배외측 전전두피질에서 수행된다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 처리하는 단계는 다수의 전극 쌍들에 대한 전력 스펙트럼 데이터를 얻기 위해 상기 감지된 신호들의 푸리에 변환 (FFT)을 계산하는 단계, 상기 데이터에 대해 위상 커플링 분석을 수행하여 가중된 위상 지연 인덱스(wPLI)를 계산하는 단계; 상기 계산된 wPLI를 임계값과 비교하는 단계 및 상기 계산된 wPLI가 상기 임계값보다 작은 것을 검출할 때 상기 사용자의 상기 하나 이상의 목표 뇌 영역을 자극하는 단계를 개시하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 자극하는 단계를 개시하는 단계는 상기 검출시 시작되는 시간 지연 기간 후에 자극하는 단계를 개시하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 자극하는 단계는 상기 자극하는 단계의 지속 기간 동안 상기 감지하는 단계를 중단하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 처리하는 단계는, 전력 스펙트럼 데이터를 획득하기 위해 상기 감지된 신호들의 푸리에 변환(FT)을 계산하는 단계, 상기 전력 스펙트럼으로부터 감마 주파수 대역 값에서의 스펙트럼 전력(Pγ)을 계산하는 단계, 상기 계산된 Pγ를 임계값과 비교하는 단계 및 상기 Pγ가 상기 임계값보다 작거나 같은 것을 검출할 때 상기 자극하는 단계를 개시하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 자극하는 단계를 개시하는 단계는 상기 검출시 시작된는 시간 지연 기간 후에 자극하는 단계를 개시하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 자극하는 단계는 상기 자극하는 단계의 지속 기간 동안 상기 감지하는 단계를 중단하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 표지는, 하나 이상의 주파수 대역에서 감지된 신호의 위상 변경, 하나 이상의 주파수 대역에서 감지된 신호의 계산된 스펙트럼 전력의 변경, 및이들의 임의의 조합을 포함한다.
상기 방법의 일부 실시예에 따르면, 상기 주파수 대역은 델타(delta) 대역, 쎄타(theta) 대역, 뮤(mu) 대역, 알파(alpha) 대역, 베타(beta) 대역 및 감마(gamma) 대역, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택된다.
또한, 본 발명의 시스템에 따라, 사용자의 인지 능력을 보강 및 / 또는 보조 및 / 또는 개선하기 위한 뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI) 시스템이 제공된다.
상기 시스템은
1) 사용자의 하나 이상의 피질 영역에서의 신경 전기 활동과 관련된 신호를 감지하기 위한 하나 이상의 감지 장치;
2) 사용자의 하나 이상의 뇌 심부 구조, 사용자의 하나 이상의 피질 영역 및 적어도 하나의 피질 영역과 뇌 심부 구조의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 표적 뇌 영역에 자극 신호를 제공하기 위한 하나 이상의 자극 장치;
3) 하나 이상의 감지 장치 및 하나 이상의 자극 장치와 통신하는 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러, 및BCI 시스템에 전원을 공급하기위한 적어도 하나의 전원을 포함하며,
상기 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러는 인지 작업을 수행하려는 의도 및 / 또는 인지 작업의 제시 및 / 또는 인지 작업의 수행과 관련된 표지를 검출하기 위해 하나 이상의 피질 영역에서 감지된 신호를 처리하도록 프로그램되며, 및 / 또는 상기 사용자의 인지 능력을 향상 및 / 또는 보조 위해 상기 표지를 검출하는 것에 응답하여 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역의 자극을 제어한다.
4) BCI 시스템을 에너자이징하기 위한 적어도 하나의 전원.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 감지 장치는 상기 하나 이상의 피질 영역 내의 전기적 활동과 관련된 전기 신호를 감지하도록 구성된 전극을 포함한다.
상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 자극 장치는 전기 자극 신호를 상기 표적 뇌 영역에 적용하도록 구성된 전극을 포함한다.
최종적으로, 상기 시스템의 일부 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 감지 장치의 적어도 하나의 감지 장치는 상기 하나 이상의 피질 구역에서의 전기적 활동과 관련된 전기 신호를 감지하도록 구성된 하나 이상의 전극 세트를 포함하고, 상기 하나 이상의 자극 장치의 적어도 하나의 자극 장치는 하나 이상의 표적 뇌 영역을 전기적으로 자극하기 위해 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역에 전기 신호를 인가하도록 구성된 하나 이상의 전극 세트를 포함한다.
본 발명의 시스템 및 방법의 한 양태는 일반적인 사용자에서 "인지 향상"을 수행하는데 사용될 수 있다는 것이다. 인지 (및 작업 기억의 향상, 지속적인 주의 및 DLPFC의 다른 기능들)은 (예를 들어, 주의, 집중, 주의력 유지, 학습 및 작업 기억 조절과 관련된 TPC, TPJ PFC, 및/또는 다른 피질 영역들)에 포함되는 DLPFC 및/또는 다른 피질 영역들에서의 전기적 활동을 감지하고, (예를 들어, 연관 학습 과제 또는 암기 과제 또는 주의 집중을 요구하고 주의 기간을 증가시키는 다른 학습 과제와 같은) 학습 과제와 연관된 감지된 신호의 신경 활동 패턴을 검출하며, 이러한 검출에 반응하여 하나 이상의 뇌심부 구조 (및/또는 다른 피질 영역들)을 자극하는 것에 의하여 사용자의 주의 기간을 개선 및/또는 증강 및/또는 향상하고, 작업에 대한 주의를 집중하며 성능을 향상시키는 것에 의하여 학습 및 기억을 조절 및/또는 향상시키는데 유리하며, 이에 따라 인지가 향상된다.
본 발명의 일부 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여, 단지 예로서 설명되며, 동일한 구성 요소는 동일한 참조 번호로 표시된다. 이제 도면을 상세하게 참조하면, 도시된 세부 사항은 예시로서 그리고 본 발명의 실시예에 대한 설명을 목적으로 한 것임을 강조한다. 이와 관련하여, 도면과 함께 제시된 설명은 본 발명의 실시예가 어떻게 실시될 수 있는지 당업자에게 명백하게 한다.
도면에서:
도 1은 본 발명의 증강 인지 시스템의 일부 실시예에 따라, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 일반적인 시스템의 구성 요소를 나타내는 개략적인 블록도이다;
도 2는 본 발명의 시스템의 한 실시예에 따라, 일반적인 컴퓨팅 작업을 수행하기 위해 이용 가능한, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템의 개략적인 블록도이다;
도 3은 본 발명의 시스템의 일부 실시예에 따라, 배외측 전전 두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)에서의 신경 활동을 감지하고, 특히 학습, 기억 및 주의 집중과 관련된 여러 뇌심부 구조를 전기적으로 자극하기 위한 하나 이상의 전극 세트를 포함하는, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템의 한 실시예를 도시하는 개략적인 블록도이다;
도 4는 본 발명의 시스템의 일부 실시예에 따라, 배외측 전전 두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)에서의 신경 활동을 감지하고, 특히 학습, 기억 및 주의 집중과 관련된 하나 이상의 뇌심부 구조를 전기적으로 자극하기 위한 하나 이상의 전극 세트를 포함하는, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템의 한 무선 실시예를 도시하는 개략적인 블록도이다;
도 5는 본 발명의 증강된/향상된 인지 시스템의 일부 실시예에 따라, 배외측 전전 두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC) 피질 영역 및 (선택적으로) 다른 피질 영역에서의 신경 활동을 감지하고, 특히 학습, 기억 및 주의 집중과 관련된 하나 이상의 뇌심부 구조를 전기적으로 자극하기 위한 몇몇 전극 세트(들)을 포함하는 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템을 나타내는 개략적인 블록도이다;
도 6은 본 발명의 시스템의 일부 실시예에 따라, 사용자의 두개골 내에 배치된, 사용자의 인지 능력을 증강하거나, 향상시키거나, 개선하기 위한 두개 내의 시스템을 도시한 개략도이다;
도 7은 본 발명의 시스템의 일부 실시예에 따라, 사용자의 두개골 내에 배치된 일부 시스템 구성 요소 및 사용자의 두개골 외부에 배치된 시스템의 일부 다른 구성 요소를 갖는, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템을 나타내는 개략도이다;
도 8은 본 발명의 방법의 일부 실시예에 따라, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 훈련 및/또는 교정하는(calibrating) 방법의 단계들을 개략적으로 도시한 플로우챠트이다;
도 9는 본 발명의 방법의 일부 실시예에 따라, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 방법의 단계들을 개략적으로 도시한 플로우챠트이다;
도 10은 본 발명의 방법의 일부 실시예에 따라, 단일의 감지 및 자극 전극 세트를 갖는 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템을 도시하는 개략적인 블록도이다;
도 11은 본 발명의 시스템의 일부 실시예에 따라, 두 피질 영역에서 감지하고 하나 이상의 피질영역 또는 하나 이상의 뇌심부 구조 또는 하나 이상의 피질 영역과 하나 이상의 뇌심부 구조의 조합을 자극하기 위한 감지 및 자극 전극 세트(들)을 가지는 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템을 나타내는 개략적인 블록도이다;
도 12는 본 발명의 시스템의 일부 실시예에 따라, 뇌심부 구조의 경두개 주파수(transcranial frequency) 간섭 자극을 수행하기 위한 비침습 전극 세트 및 하나 이상의 피질 영역을 감지 및/또는 자극하기 위한 두개 내로 이식된 ECOG 전극 어레이를 포함하는, 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템을 나타내는 개략적인 블록도이다;
도 13은 도 12의 시스템의 두개내 부분의 기능적 구성 요소를 도시하는 개략적인 블록도이다;
도 14는 본 발명의 시스템의 일부 실시예에 따라, 복수의 피질 영역에서 감지를 수행하고 하나 이상의 뇌심부 구조의 두개 내 주파수(intracranial frequency) 간섭 자극을 수행하고 및/또는 하나 이상의 피질 영역을 직접 자극하기 위한 복수의 두개 내 ECOG 어레이를 포함하는 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템을 나타내는 개략적인 블록도이다;
도 15는 도 14의 시스템에 포함된 기능적 구성 요소들을 예시하는 개략적인 기능 블록도이다; 그리고
도 16-19는 본 발명의 방법의 일부 실시예에 따라, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 4가지 상이한 예시적인 방법의 단계들을 도시하는 개략적인 플로우챠트이다.
달리 정의되지 않는 한, 여기서 사용되는 모든 기술적 및/또는 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이용하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기서 기술된 것과 유사하거나 동일한 방법 및 재료가 본 발명의 실시예를 실시 또는 테스트하는데 사용될 수 있지더라도, 예시적인 방법 및/또는 재료가 하기에 기술된다. 충돌이 있는 경우, 정의를 포함하는 특허 명세서가 우선한다. 게다가, 재료, 방법 및 예는 단지 예시적인 것이며, 반드시 제한하려는 것이 아니다.
본 발명의 실시예의 방법 및/또는 시스템의 구현은 선택된 작업을 수동, 자동 또는 그 조합으로 수행하거나 완료하는 것을 포함할 수 있다. 게다가, 본 발명의 방법 및/또는 시스템의 실시예의 실제 기구 및 장비에 따라, 일부 선택된 작업은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 운영 체제를 사용하는 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 선택된 작업을 수행하기 위한 하드웨어는 칩 또는 회로로 구현될 수 있다. 소프트웨어로서, 본 발명의 실시예에 따른 선택된 작업은 임의의 적합한 운영 체제를 사용하는 컴퓨터에 의해 실행되는 복수의 소프트웨어 명령어로 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 여기서 기술된 방법 및/또는 시스템의 일 실시예에 따른 하나 이상의 작업은 복수의 명령을 실행하기 위한 컴퓨팅 플랫폼과 같은 데이터 프로세서에 의해 수행된다. 선택적으로, 데이터 프로세서는 명령 및/또는 데이터를 저장하기 위한 휘발성 메모리 및/또는 비휘발성 메모리, 예컨대, 자기 하드 디스크 및/또는 명령 및/또는 데이터를 저장하기 위한 제거 가능한 매체를 포함한다. 선택적으로 네트워크 연결도 제공된다. 키보다 또는 마우스와 같은 디스플레이 및/또는 사용자 입력 장치가 선택적으로 또한 제공된다.
약어:
하기 약어는 본 발명의 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐 사용된다:
ADD- 주의력 결핍 장애(Attention Deficit Disorder)(현재 이 용어는 문헌에서 "우연한 부주의 표현(Predominantly inattentive presentation) -IA"로 대체 됨)
ADHD: 주의력 결핍 과잉 활동장애(Attention Deficit Hyperactivity Disorder)
BA : 브로드만 영역(Brodmann Area)
BCI : 두뇌 컴퓨터 인터페이스(Brain Computer Interface)
DBS: 뇌심부자극술(Deep brain stimulation)
DLPFC : 배외측 전전 두피질(Dorsolaterl prefrontal cortex)
DSP: 디지털 신호 처리(Digital signal processor)
Ecog: 뇌파도(Electrocorticogram)
Ecog BCI : 뇌파도 두뇌 컴퓨터 인터페이스(Electrocorticographic brain computer interface)
EPROM : 전기적으로 프로그램 가능한 읽기 전용 메모리(Electrically programmable read only memory)
EEPROM: 소거 가능하고 전기적으로 프로그램가능한 읽기 전용 메모리(Erasable electrically programmable read only memory)
FMRI : 기능적 자기 공명 영상(Functional Magnetic resonance imaging)
GUI: 그래픽 유저 인터페이스(Graphic User Interface)
5HT : 5 히드록시트립타민(5 hydroxytriptamine)
Hz : 헤르츠(Hertz)
IC: 집적회로(Integrated Circuit)
ICTIS: 두개 내 측면 간섭 자극(intracranial temporal interference stimulation)
IFG: 하전두이랑(Inferior frontal gyrus)
IMU: 관성 측정 장치(inertial measurement unit)
KHz : 킬로헤르츠(Kilohertz)
LAN : 근거리 통신망(Local Area Network)
LC : 청반(Locus Ceruleus)
LFP : 로컬 필드 포텐셜(Local Field Potential)
msec : 밀리세컨드(millisecond)
NA: 노르아드레날린(Noradrenaline)
NTIS: 비침습적 측면 간섭 자극(non-invasive temporal interference stimulation)
OCD : 강박 장애(Obsessive compulsive disorder)
PFC : 전액골 피질(Prefrontal cortex)
ROM : 읽기 전용 메모리(Read only Memory)
RAM: 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory)
SSD: 솔리드 스테이트 디스크(Solid state disk)
TBI : 외상성 뇌 손상(Traumatic Brain Injury)
TI : 측면 간섭(Temporal interference)
TPC : 측두두정 피질(Temporoparietal cortex)
TPJ : 측두두정 연접부(Temporal Parietal junction)
VTA : 복측피개영역(Ventral tegmental area)
VPN: 가상 사설 망(Virtual Private Network)
μV : 마이크로 볼트(microvolt)
WAN: 광역 네트워크(Wide Area Network)
WM: 작업 기억(Working Memory)
본 발명의 시스템 및 방법의 한 양태는 일반적인 사용자에서 "인지 향상"을 수행하는데 사용될 수 있다는 것이다. 인지 (및 작업 기억의 향상, 지속적인 주의 및 DLPFC의 다른 기능들)은 (예를 들어, 주의, 집중, 주의력 유지, 학습 및 작업 기억 조절과 관련된 TPC, TPJ PFC, 및/또는 다른 피질 영역들)에 포함되는 DLPFC 및/또는 다른 피질 영역들에서의 전기적 활동을 감지하고, (예를 들어, 연관 학습 과제 또는 암기 과제 또는 주의 집중을 요구하고 주의 기간을 증가시키는 다른 학습 과제와 같은) 학습 과제와 연관된 감지된 신호의 신경 활동 패턴을 검출하며, 이러한 검출에 반응하여 하나 이상의 뇌심부 구조 (및/또는 다른 피질 영역들)을 자극하는 것에 의하여 사용자의 주의 기간을 개선 및/또는 증강 및/또는 향상하고, 작업에 대한 주의를 집중하며 성능을 향상시키는 것에 의하여 학습 및 기억을 조절 및/또는 향상시키는데 유리하며, 이에 따라 인지가 향상된다.
사용자의 인지 능력의 조절 및/또는 향상 또는 증강은 DLPFC (또는 여기서 개시된 바와 같은 다른 피질 영역) 내의 관련 신경 회로 내 수상돌기 또는 세포체에서 종결되는 VTA 도파민성 신경세포 축삭의 시냅스에서 도파민의 방출에 기인할 수 있다 특히, 학습 및 기억과 같은 인식 작업(들)의 수행에 관련된 특정 관련 피질 회로의 강화로 인하여 인지 능력이 향상될 수 있다.
다른 뇌심부 구조가 (VTA의 자극과 독립적으로 또는 VTA의 자극과 함께) 자극되면, 다른 유형의 신경 조절기는 사용자의 인지 능력을 향상시키거나 개선하거나 증강하는 것과 관련될 수 있으며, 자극되는 특정 뇌심부 구조(들)에 따라 예를 들어 5-히드록시트립타민(5HT) 및 노르아드레날린 (NA) 및/또는 다양한 뉴로펩타이드가 될 수 있다.
여기서 개시된 시스템 및 방법의 다른 양태는 신경 또는 정신-신경 장애 또는 인지 기능이 손상되어 고통 받는 환자 또는 사용자에 대한 인지 능력을 개선하는 것이다. (여기서, 이들은 기억 기능, 외상성 뇌 손상(TBI) 환자, 선천성 장애로 인하거나, 특정 뇌 구조 및/또는 이들의 기능의 손상 또는 변성으로 인한 뇌졸중, 치매, 신경 퇴행성 장애, 주의 집중 및 학습에 영향을 미치는 뇌병변을 가지는 사람들일 수 있고, (비제한적인 예는 ADHD, ADD, OCD, 우울증, 임상 우울증, 외상성 뇌 손상, 뇌졸중, 기억 상실 및 더 구체적인 유형의 기억 장애가 있는 환자이다).
본 발명의 시스템 및 방법의 일부 실시예에 따르면, 일반적인 사용자 또는 상기에서 기술한 장애 (또는 임의의 다른 신경적 또는 정신적 및/또는 신경-정신적 장애 또는 결핍증)을 가지는 환자에서 뇌심부 구조(예를 들어, 이로 제한되는 것은 아니지만, VTA, 선조체, 미상핵, 조가비핵(putamen), 측좌핵, 청반, 해마, 편도체 및/또는 중변연계의 임의의 다른 뇌심부 구조 및/또는 학습, 기억 및 주의 집중과 사용자의 인지 능력의 다른 유형을 향상시키거나 촉진시키는데 기능적으로 참여하는 임의의 다른 뇌심부 구조)의 자극은 DFPLC 및/또는 (예를 들어, TPC, TPJ PFC, 및/또는 주의 집중, 주의력 유지, 학습 및 작업 기억 조절에 관련된 다른 피질 영역과 같은) 몇몇 다른 피질 영역에서 뉴런의 활동의 특정 패턴의 검출 시에 완전히 자동으로 수행될 수 있다. 이는 Husam A. Katnani, et al. in the article entitled "Temporally Coordinated Deep Brain Stimulation in the Dorsal and Ventral Striatum Synergistically Enhances Associative Learning." published in Scientific Reports　6, Nature, Article　number:　18806 (2016)에서 제시된 바와 같이, 작업 표시의 타이밍에 대한 자극의 정확한 타이밍에 대한 필요성에서 기인한다. 그러나, 이 논문에서 기술된 실험에서 작업 표시와 그러므로 뇌심부 자극은 원숭이의 뇌에서 감지되거나 기록된 활동에 의해 촉발되거나 연결되지 않았다는 점에 유의해야 한다.
본 발명의 시스템의 일부 실시예에서, 시스템은 사용자가 특정 태스크를 수행하지 않고 그/그녀의 일상적인 생활을 행하는 것을 의미하는 "태스크에 속박되지 않은(task untethered)" 모드로 동작할 수 있다. 시스템이 WM 또는 주의(Attention) 회로가 DLPFC(또는 다른 피질 영역)에 관여되어 있음을 감지하면, 시스템은 자동으로 뇌심부 구조에 자극을 전달하여 인지 기능을 강화시킨다.
본 발명의 시스템의 몇몇 다른 실시예에서, 시스템은 "작업 의존적" 모드로 동작할 수 있으며, 이모드에서 시스템은 임상적으로 투여되는 또는 자기 관리된 작업, 예를 들어 A-not-B 유형의 작업의 과정 동안에만 뇌심부를 자극한다.
자동으로 그리고 자율적으로 동작하는 본 발명의 시스템의 몇몇 다른 실시예에서, 사용자는 뇌심부 구조로 자극을 전달하는 타이밍 및 시공간 패턴을 제어할 수 없으며, 이는 시스템의 자극 전극 세트(들)을 제어하는 프로세서/컨트롤러(들)에 의해 자동으로 생성되고 정확하게 타이밍될 수 있다. 이에 따라, 학습, 및/또는 기억 작업, 또는 증강되고 집중된 주의 및/또는 동기를 요구하는 다른 작업에 있어 사용자 성능에 대한 자극의 효과 향상을 최적화할 수 있다.
그러나, 여기에 개시된 시스템의 일부 실시예에서, 사용자 및/또는 환자는 자발적으로 시스템의 동작 모드를 스위치 온 또는 오프할 수 있다. 예를 들어, 사용자 또는 환자는 (자극을 무력화시키거나 활성화시키는 것에 의하여) 뇌심부 구조(들)의 자극의 작용을 자발적으로 제어하는 것에 의하여 뇌심부 구조의 자극을 스위치 온 또는 오프함으로써 시스템의 "인지 능력 향상" 동작을 자발적으로 활성화 또는 비활성화시킬 수 있다. 이러한 제어 방법은 시스템의 특정 실시예와 관련하여 이후에 보다 상세하게 개시된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 그 애플리케이션에서 이하의 설명 및/또는 도면 및/또는 실시예에 기재된 구성 요소 및/또는 방법의 구성 및 배열에 반드시 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하거나 다양한 방법으로 실시되거나 수행될 수 있다. 본 출원의 특허의 존속기간 동안 뉴런의 전기적 활동 (단일 뉴런 및/또는 뉴런 총체 중 어느 것)을 감지하고 단일 또는 복수의 뉴런의 자극을 위한 많은 관련 장치, 시스템 및 방법들이 개발될 것이며, "감지 전극 세트" "감지 전극 세트(들), “자극 전극 세트” 및 “자극 전극 세트(들)”이라는 용어의 범위는 모든 새로운 감지 및 자극 기술을 선험적으로 포함하는 것으로 의도된다.
유사하게, 본 출원의 특허의 존속기간 동안, 뉴런의 전기적 활동 (단일 뉴런 및/또는 뉴런 총체 중 어느 건)과 관련된 신호를 감지하고 단일 또는 복수의 뉴런의 자극을 위한 많은 관련 장치, 시스템 및 방법이 개발될 것이며, "감지" 및 "기록" 및 "자극"이라는 용어의 범위는 모든 새로운 기술을 선험적으로 포함하는 것으로 의도된다.
여기에서 사용된 용어 "약(about)"은 ±10 %를 의미한다. "예시적인(exemplary)"이라는 단어는 "예시, 실례 또는 예증으로서의 역할을 한다"는 의미로 사용된다. "예시적인" 것으로 기술된 임의의 실시예는 반드시 다른 실시예보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석될 필요가 없고, 및/또는 다른 실시예로부터의 특징의 조합을 배제하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
용어 "선택적으로(optionally)"는 "일부 실시예에서는 제공되며 다른 실시예에서는 제공되지 않는다"는 의미로 사용된다. 본 발명의 임의의 특정 실시예는 그러한 특징들이 상충되지 않는 한 복수의 "선택적" 특징들을 포함할 수 있다.
용어 "포함하다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함하다(includes)", "포함하는(including)", "갖는(having)" 및 이들의 활용은 "포함하지만 이에 한정되지는 않는다"를 의미한다.
용어 "구성된(consisting of"은 "포함하고 제한된"을 의미한다.
용어 "본질적으로 이루어진다(consisting essentially of)"는 추가의 성분, 단계 및/또는 부분이 청구된 조성, 방법 또는 구조의 기본적이고 신규한 특징을 실질적으로 변경시키지 않는 경우에만 조성, 방법 또는 구조가 추가의 성분, 단계 및/또는 부분을 포함 할 수 있음을 의미한다.
용어 "정상 사용자" 및 "정상인" 및 이들의 복수 형태는 본 발명의 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐 인지 기능의 하나 이상의 측면을 손상시키는 신경학적 및/또는 정신적 및/또는 신경심리학적 장애로 고통 받지 않는 사람 또는 사용자를 나타내기 위해 상호 교환 가능하게 사용된다. 정상 사용자 또는 사람은 인지 장애와 직접적으로 관련이 없는 다른 질병 또는 장애 상태를 겪고 있을 수 있다.
용어 "전극 세트(electrode set)" 및 그의 복수 형태는 본 발명의 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐 하나 이상의 뇌 영역에서 전기적 활성을 감지 및/또는 하나 이상의 뇌 영역을 자극 및/또는 하나 이상의 뇌 영역을 감지 및 자극하도록 구성되는 2이상의 전극을 포함하는 임의의 전극 배치를 나타내기 위해 사용될 수 있다. 이들 용어는 단지 전극을 지칭할 수도 있고, 전극 구조의 일부로서 또는 전극 어셈블리 또는 전극 어레이의 일부로서 포함되고 전극 감지 부(들)에 가까운 신호 증폭, 신호 컨디셔닝, 신호 필터링을 위하여 사용되는 임의의 전자 및/또는 전기 회로를 지칭할 수도 있다. 예를 들어, Ecog형 전극 어레이는 감지 전극 또는 어레이가 지지되는 기판 상의 전극 근방에 집적되는 전기 및/또는 전자 구성요소를 포함할 수 있으며, 전체 어레이 및 이와 관련된 전자/전기 부품은 "전극 세트 (electrode set)"라고 지칭될 수 있다.
여기에서 사용된 단수 형태 "한(a)", "한(an)"및 "그(the)"는 문맥 상 다르게 지시하지 않는 한 복수의 레퍼런스를 포함한다. 예를 들어, "한 화합물(a compound)" 또는 "적어도 하나의 화합물(at least one compound)"이라는 용어는 이들의 혼합물을 포함하는 복수의 화합물을 포함할 수 있다.
본 출원의 전반에 걸쳐, 본 발명의 다양한 실시예가 범위 형태로 제공될 수 있다. 범위 형태에서의 설명은 편의상 및 간략화를 위한 것이며 본 발명의 범위에 대한 융통성없는 제한으로 해석되어서는 안됨을 이해해야 한다. 따라서, 범위에 대한 설명은 모든 가능한 부분 범위(subranges) 및 그 범위 내의 개별적인 수치를 구체적으로 개시한 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 1 내지 6과 같은 범위의 설명은 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 4, 2 내지 6, 3 내지 6 등과 같은 부분 범위뿐만 아니라 해당 범위 내 개별 숫자(예를 들어, 1, 2, 3, 4, 5 및 6)를 구체적으로 개시한 것으로 간주되어야 한다. 이는 범위의 폭에 관계없이 적용된다.
여기서 수치범위가 표시될 때마다, 표시된 범위 내에서 임의의 인용된 수치(분수 또는 정수)를 포함하는 것이 의미된다. "제1 지시 숫자와 제2 지시 숫자 “사이의 범위/범위” 와 제1 지시 숫자”로부터” 제2 지시 숫자”까지”의 “범위/범위”는 상호 교환적으로 사용되며, 제1 및 제2 지시 숫자와 이들 사이의 모든 분수 및 정수들을 포함하는 것으로 의미된다.
이하, 본 발명의 증강 인지 시스템의 일부 실시예에 따라, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 일반적인 시스템의 구성 요소를 나타내는 개략적인 블록도인 도 1을 참조한다.
시스템(10)은 하나 이상의 프로세서/컨트롤러(들)(14)와 통신하는 하나 이상의 감지/자극 전극 세트(들)(12)를 포함한다. 프로세서/컨트롤러(들)(14)는 당업계에 공지된 바와 같이 데이터를 저장하고 검색하기 위한 하나 이상의 메모리 및/또는 데이터 저장 장치(16)에 적절하게 연결될 수 있다.
프로세서/컨트롤러(들)(14)는 사용자의 두개골 외부의 하나 이상의 프로세서/컨트롤러, 하나 이상의 두개 내 프로세서/컨트롤러, 적어도 하나의 웨어러블 프로세서/컨트롤러, 적어도 하나의 원격 프로세서/컨트롤러, 적어도 하나의 디지털 신호 프로세서(DSP), 적어도 하나의 그래픽 프로세싱 유닛(GPU), 적어도 하나의 양자 컴퓨팅 디바이스, 프로세싱 유닛(CPU), 또는 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 컴퓨팅 장치일 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서/컨트롤러(14)는 신경망을 포함 및/또는 에뮬레이션할 수 있다. 예를 들어, 프로세서/컨트롤러(14)는 (본 발명의 인지 증강/향상 시스템 중 하나에 포함될 수도 있는) 하나 이상의 뉴로모픽 IC를 포함하거나 이에 연결될 수 있다. 선택적으로 및/또는 부가적으로, 프로세서/컨트롤러(14)는 프로세서/컨트롤러(들)(14) 상에서 동작하는 소프트웨어에 의해 하나 이상의 신경 네트워크를 에뮬레이션하도록 프로그램될 수 있다.
또한, 프로세서/컨트롤러(14)는 (바람직하게는 무선으로, 가능하면 유선 방식으로) 인터넷을 통해 또는 예를 들어 LAN, WAN , VPN 또는 다른 유형의 유선 또는 무선으로 액세스할 수 있는 네트워크와 같은 다른 유형의 네트워크를 통하여 “클라우드”에 접촉할 수 있다.
일부 실시예에서, 프로세서/컨트롤러(들)(14)는 (설명의 명확화를 위하여 도면에 상세하게 도시하지는 않았으나) 블루투스 또는 WiFi 통신 유닛 또는 회로와 같은 무선 통신 회로를 포함할 수 있다. 이러한 무선 통신 수단은 프로세서/컨트롤러로 하여금 예를 들어 원격 컴퓨터, 서버, 셀룰러 전화 또는 임의의 다른 유형의 외부 장치와 무선으로 통신할 수 있도록 한다. 이러한 실시예는 프로세서/컨트롤러(들)(14)의 처리 능력이 제한되는 경우에 유용할 수 있다. 이러한 실시예들은 원격 컴퓨터(들), 서버들, 클러스터 컴퓨터들 또는 임의의 다른 적절한 컴퓨팅 장치와 같은 다른 프로세싱 장치들에게 연산 부하의 일부 또는 전부의 오프로딩(offloading)하는 것을 허용할 수 있고, DLPFC 또는 다른 뇌 영역에서 기록/감지된 데이터를 프로세싱하기 위하여 클라우드 컴퓨팅 또는 병렬 컴퓨팅의 사용을 가능하게 하여 프로세서/컨트롤러(들)(14) 상에 가해지는 연산 부하를 줄일 수 있다. 이러한 오프로드된 연산의 결과는 프로세서/컨트롤러(14)에게 (바람직하게는 무선으로) 리턴 또는 교환될 수 있으며, 여기서 기술된 바와 같은 적절한 뇌심부 구조의 자극 제어를 수행하는데 사용될 수 있다.
바람직하게는, 침습 시스템의 경우, 프로세서/컨트롤러(들)(14)는 가능한 최소의 크기를 가지며 전력 요구량 및 열 방출을 최소화하도록 초소형화된다. 그러나, 웨어러블 컴퓨팅 장치 또는 유사한 외부 컴퓨터 장치가 사용되는 경우, 컴퓨팅 장치의 크기 및 전력 요구량이 증가될 수 있다.
프로세서/컨트롤러(들)(14) 및/또는 하나 이상의 감지/자극 전극 세트(들)(12)는 바이오 신호 처리분야에서 공지된 바와 같이, (예를 들어, 아날로그-디지털 변환기(ADC), 신호 증폭기, 아날로그 필터, 디지털 필터들 또는 다른 적절한 전기 및/또는 전자 및/또는 광-전자 회로와 같은) 하나 이상의 감지/자극 전극 세트(들)(12)에 의해 감지된 전기 신호를 컨디셔닝 및/또는 증폭 및/또는 필터링 및/또는 디지털화하기 위하여 요구되는 (설명의 명확화를 위하여 도시하지는 않은) 임의의 필요한 전기 회로를 포함할 수 있다.
프로세서/컨트롤러(들) 및/또는 하나 이상의 감지/자극 전극 세트(들)(12)는 또한 당업계에 공지된바와 같이 하나 이상의 감지/자극 전극 세트(들)(12)를 통하여 신경 조직에 전기적 자극을 주기 위하여 (설명의 명확화를 위하여 도시하지 않은) 임의의 전기 회로를 포함할 수 있다. 이러한 전기 회로는 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 하나 이상의 감지/자극 전극 세트(들)(12)을 통하여 뉴런을 자극하기 위하여 필요한 하나 이상의 전류 소스와 같은 적절한(선택적인) 파워 소스, 멀티플렉싱 회로, 하나 이상의 전기 펄스 발생기, 타이밍 회로 및 하나 이상의 다른 전기 회로와 같은 적절한 센싱을 통해 뉴런을 자극하는데 필요한 임의의 다른 전기 회로를 포함할 수 있다.
여기서 개시되고 도면에 도시된 모든 시스템 실시예에서, 프로세서/ 제어기(14)는 자극 회로를 명시적으로 도시하지 않은 체 하나 이상의 자극 전극 세트들(또는 감지 및 자극 전극 세트(들))에 직접 연결되는 것으로 도시되어 있다. 이러한 회로 (예를 들어, 하나 이상의 감지/자극 전극 세트들을 통하여 뉴런을 자극하기 위하여 필요한 하나 이상의 전류 소스, 멀티플렉싱 회로, 하나 이상의 전기 펄스 발생기, 타이밍 회로 및 다른 전기 회로)는 프로세서/컨트롤러(들)(14)에 포함될 수 있으며, 설명의 명확화를 위해 상세히 도시되지는 않는다.
그러나, 시스템(10)(또는 본 출원에 개시되고 도면에 도시된 다른 시스템들)은 전력을 요구하는 시스템 구성요소들에게 전력을 공급하기 위하여 시스템에 포함되는 적절한 전원(3)을 포함할 수 있다. 전력 요구 구성요소들에게 전원(3)을 연결하는 전력선은 설명의 명확화를 위하여 도 1 내지 5에서 도시되지 않았음을 유의해야 한다.
시스템 (10)은 프로세서/컨트롤러(들)(14)에 적절하게 연결되고 접속된 하나 이상의 보조 센서들(18)를 (선택적으로) 포함할 수도 있다. 선택적 보조 센서들(18)은 이미징 센서, 모노크롬 이미징 센서 , 컬러 이미징 센서, 적외선(IR) 이미징 센서, 자외선(UV) 이미징 센서, 이오나이징 방사 센서, 가이거 계수기, 마이크로폰, 스테레오스코픽 깊이 센서, 관성 측정 유닛(IMU), 하나 이상의 가속도계, 진동계, 온도 센서, 마이크로폰, 사운드 및/또는 초저주파 및/또는 초음파를 감지하기 위한 음향 센서, 서미스터, 공기 중의 휘발성 화합물을 감지 및/또는 검출하는 센서, 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 센서들을 포함할 수 있다.
일반적으로, 시스템 (10)의 사용자에 부착되거나 유래되거나 착용될 수 있는 상술한 센서를 포함하지만 이에 한정되지 않는 당업계에 공지된 임의의 적절한 센서가 보조 센서들(18)에 포함될 수 있다. 또한, (당업계에 알려진 적절한 무선 통신 시스템들이 사용될 수 있는) 프로세서/컨트롤러(들)(14)과 무선으로 통신하는 보조 센서들을 가지는 것에 의하여, 보조 센서들(18)은 시스템(10)의 사용자에 의해 부착되거나 착용되기에 너무 무겁거나 너무 크거나 다루기 힘든 임의의 센서들을 포함할 수도 있다. 적절한 무선 통신 장치는 설명의 명확화를 위하여 도 1에 도시되지 않고 있으나, 도 4의 트랜시버들(TX1-TX4)과 유사할 수 있다. 이러한 보조 센서들은, 예를 들어 레이더 기반 센서 장치, LIDAR 장치, 지오폰, 소나 장치 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 대형 센서 또는 센서 시스템을 포함할 수 있다.
보조 센서들(18)은 (공간 상 다양한 실제 객체 또는 사용자 신체 또는 신체 부분의 위치 및/또는 환경 내의 다른 객체와 관련된 위치와 같은) 지리 관련 정보 또는 데이터를 사용자에게 제공하기 위해 이용 가능한 감지된 데이터를 프로세서/컨트롤러(들)(14)에게 제공 할 수 있는 (예를 들어, 카메라 또는 스테레오스코픽 깊이 센서, 또는 레이저 레인지 파인더)와 같은 센서들을 포함할 수 있다.
시스템(10)은 또한 (선택적으로) 하나 이상의 이펙터(effector) 장치(15)를 포함할 수 있다. 이펙터 장치(15)는 사용자의 신체 내에 이식된 이펙터 장치 일 수 있지만, 사용자에 의해 운반되거나 및/또는 사용자의 신체의 외부에 부착되거나 사용자에 의하여 신체에 착용된 하나 이상의 의복에 있는 외부 이펙터 장치일 수 있다. 이펙터 장치(15)는 또한 어디든 원격에 배치되어 시스템(10)을 사용하는 사용자에 의하여 무선으로 제어 및/또는 작동 가능한 임의의 유형의 외부 이펙터 장치일 수도 있다. 이펙터 장치(들)(15)는 사용자에게 부착되거나 사용자에 의하여 운반되는 이펙터 장치, 사용자를 운반하는 이펙터 장치, 인공기관, 전동 차량, 육상 운송 수단, 항공 운송 수단, 해양 운송 수단, 사용자 부근의 이펙터 장치, 원격 이펙터 장치, 드론, 사용자를 수송하는 동력 외골격 장치, 사용자에 의해 조작될 수 있는 로봇 장치, 음원, 초음파원, 오디오 스피커, 가시광원, IR 광 등을 포함할 수 있다.
이펙터 장치(들)(15)는 또한 전술한 이펙터들의 임의의 상호 배타적이지 않은 조합들 및 이들의 조합들을 포함할 수도 있다.
일부 실시예들에 따르면, 이펙터 장치(들)는 물질 또는 조성물을 사용자의 신체 또는 신체의 선택된 일부에 제어 가능하게 전달하기 위한 장치, 의학적으로 및/또는 치료학적으로 사용자의 신체를 치료하는 장치 및/또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 물질 또는 조성물은 약물, 치료제, 각성제, 진정제, 소염제, 근육이완제, 항박테이라제, 항진균제, 항바이러스제, 영양제, 호르몬, 신경 전달 물질, 신경 보호제, 비타민, 항응고제 또는 상기 기술된 물질들에 대한 임의의 상호 배타적이지 않거나 의학적으로 금기되지 않은 조합들로부터 선택될 수 있다.
이펙터 장치 중 일부는 사용자의 신체를 의학적으로 및/또는 치료학적으로 치료하기 위한 치료 장치일 수 있으며, 신체 또는 그 일부에 전기 자극을 전달하는 장치, 신체 또는 선택 영역 또는 장기를 데우거나 냉각시키는 장치, 신체 또는 그 일부에 치료용 전자기 방사능을 전달하기 위한 장치 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택될 수 있다.
메모리/데이터 저장 장치(들)(16)은 데이터 저장 및/또는 검색을 위해 당업계에 공지된 임의의 유형의 메모리 및/또는 데이터 저장 장치(들)일 수 있다. 제한되지 않으나, 시스템 (10) (및 이하에 개시되는 임의의 다른 인지 증강/향상 시스템)에서 사용 가능한 예시적인 메모리 및/또는 데이터 저장 장치는 ROM, RAM, EPROM, EEPROM, 공지된 모든 유형의 플래시 메모리 장치, 광학 메모리 및/또는 저장 장치 및 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 장치를 포함할 수 있다.
감지/자극 전극 세트(들)(12)는 사용자의 신경계(17)의 하나 이상의 부분들과 인터페이스할 수 있는 당업계에 공지된 임의의 유형의 감지 및/또는 자극 전극들 일 수 있다. 여기서, 사용자의 신경계(17)의 하나 이상의 부분들은 피질 영역들, 하나 이상의 변연 구조물, 교감 신경계, 부교감 신경계, 척수, 말초신경계, 망막 및/또는 광학 신경 및 사용자의 몸의 임의의 다른 신경 조직을 포함하지만 이로 제한되는 것은 아닌, 사용자의 신경계의 다른 일부 또는 일부들 및 사용자의 중추신경계의 한 부분 이상일 수 있다.
감지/자극 전극 세트(들)(12)는 이들이 상호작용하는 신경계의 영역에 따라, 상이한 유형의 전극 세트(들) 또는 전극 그룹(들)로 구현될 수 있다. 이러한 상이한 전극 세트(들)은 당업계에 잘 알려져 있고, 이러한 전극 세트(들)의 여러 형태가 시장에서 상업적으로 이용 가능하다. 이러한 전극 세트(들)의 구조 및 동작은 당업계에 잘 알려져 있으므로, 이하에서 상세히 설명하지 않는다. 요약하면, 전극 세트(들)(12)는 단일 전극 세트, 다중 전극 세트, 전극 어레이, 뇌 내의 혈관 내로 삽입하기 위한 스텐트 타입의 전극 어레이, 가요성 단일 표면 전극, 기록 및/또는 자극을 위한 피질 영역 및/또는 다른 뇌 표면 영역을 포함하나 이에 한정되지는 않는 뇌 /또는 CNS의 하나 이상의 표면으로부터 기록 및/또는 자극을 위한 가요성 다중 전극 어레이, 피질 영역 및/또는 피질 층 내 내부 이식을 위한 가요성 메쉬 타입 전극 어레이, 뇌심부 구조 내 내부 이식을 위한 가요성 메쉬형 전극 어레이, 피질 표면 상에 배치될 수 있는 가요성 메쉬형 전극 어레이, 눈 내에 이식되기 위한 망막 전극 세트 및 상기 전극과 전극 세트(들) 유형의 조합으로부터 선택될 수 있다.
향상된/증강된/개선된 인지 시스템에서 사용될 수 있는 다양한 유형의 전극 유형 및 관련된 전자 회로들의 구성 및 사용 방법뿐만 아니라 (의지(prosthetic limbs)를 포함하는) 이펙터 장치를 제어하기 위한 명령을 생성하거나 패턴 인식 및/또는 패턴 검출 및/또는 패턴 분류를 위한 (아날로그 및/또는 디지털의) 다양한 계산을 수행하거나, 및/또는 다른 일반적인 계산 태스크를 수행하기 위하여 감지된 신경 활동을 처리하기 위한 방법 및 알고리즘은 당업계에 공지되어 있으며, 특히 다음 참고문헌에 상세하게 기술되어 있다.
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8. Guosong Hong, Tian-Ming Fu, Tao Zhou, Thomas G. Schuhmann, Jinlin Huang, & Charles M. Lieber. "Syringe Injectable Electronics: Precise Targeted Delivery with Quantitative Input/Output Connectivity", Nano Letters, Vol. 15, August 2015, Pp. 6979-6984. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02987.
9. Jia Liu, Tian-Ming Fu, Zengguang Cheng, Guosong Hong, Tao Zhou, Lihua Jin, Madhavi Duvvuri, Zhe Jiang, Peter Kruskal, Chong Xie, Zhigang Suo, Ying Fang & Charles M. Lieber. "Syringe-injectable electronics.", Nature Nanotechnology, Vol. 10, July 2015, Pp. 629-636. DOI: 10.1038/NNANO.2015.115.
10. David T. Bundy, Mrinal Pahwa, Nicholas Szrama & Eric C. Leuthardt., Decoding three-dimensional reaching movements using electrocorticographic signals in humans", Journal of Neural Engineering, Vol. 13, No. 2, 2016, Pp. 1-18. DOI:10.1088/1741-2560/13/2/026021.
11. Takufumi Yanagisawa, Masayuki Hirata, Youichi Saitoh, Haruhiko Kishima, Kojiro Matsushita, Tetsu Goto, Ryohei Fukuma, Hiroshi Yokoi, Yukiyasu Kamitani & Toshiki Yoshimine, "Electrocorticographic Control of a Prosthetic Arm in Paralyzed Patients.", Annals of Neurology, Vol. 71, No. 3, March 2012, Pp. 353-361. DOI: 10.1002/ana.22613.
12. Wei Wang, Jennifer L. Collinger, Alan D. Degenhart, Elizabeth C. Tyler-Kabara, Andrew B. Schwartz, Daniel W. Moran, Douglas J. Weber, Brian Wodlinger, Ramana K. Vinjamuri, Robin C. Ashmore, John W. Kelly & Michael L. Boninger. "An Electrocorticographic Brain Interface in an Individual with Tetraplegia", Plos One, Vol. 8, No. 2, February 2013, Pp. 1-8. DOI:10.1371/journal.pone.0055344.
13. Kay Palopoli-Trojani, Virginia Woods, Chia-Han Chiang, Michael Trumpis & Jonathan Viventi., "In vitro assessment of long-term reliability of low-cost μ
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CoG arrays.", 　 Engineering in Medicine and Biology Society, 38th Annual International Conference of the IEEE, 16-20 August 2016.　
14. L. Muller, S. Felix, K. Shah, K. Lee, S. Pannu & E. Chang. "Thin-Film, Ultra High-Density Microelectrocorticographic Decoding of Speech Sounds in Human Superior Temporal Gyrus.", Lawrence Livermore National Laboratory, IEEE Engineering in Medicine and Biology Conference, Orlanda, FL, United States, August 16, 2016 through August 20, 2016. LLNL-CONF-684084.
15. Jonathan Viventi, et al., "Flexible, Foldable, Actively Multiplexed, High-Density Electrode Array for Mapping Brain Activity in vivo.", Nature Neuroscience, Vol. 14, No. 12, Pp. 1599-1605. DOI:10.1038/nn.2973.
16. Thomas J. Oxley et al. Minimally invasive endovascular stent-electrode array for high-fidelity, chronic recordings of cortical neural activity. Nature Biotechnology, Vol. 34, No. 3, February 2016. DOI:10.1038/nbt.3428.
17. Edward S. Boyden, Feng Zhang, Ernst Bamberg, Georg Nagel & Karl Deisseroth, "Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity", Nature Neuroscience, Vol. 8, No. 9, September 2005, Pp. 1263-1268. DOI:10.1038/nn1525.
18. Karl Deisseroth. "Optogenetics", Nature Methods, Vol. 8, No. 1, January 2011, Pp. 26-29. DOI: 10.1038/NMETH.F.324.
19. Karl Deisseroth. "Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience., "Nature Neuroscience, Vol. 18, No. 9, September 2015, Pp. 1213-1225.
20. Andre Berndt Karl Deisseroth." Expanding the optogenetics toolkit: A naturally occurring channel for inhibitory optogenetics is discovered." Science, Vol. 349, No. 6248, August 7, 2015, Pp. 590-591.
21. S. Yamagiwa, M. Ishida & T. Kawano., "Flexible parylene-film optical waveguide arrays.", Applied Physics Letters, Vol. 107, No. 083502, 2015, Pp. 1-5. DOI: 10.1063/1.4929402.
22. Michael Joshua Frank, Johan Samanta, Ahmed A. Moustafa & Scott J. Sherman. "Hold Your Horses: Impulsivity, Deep Brain Stimulation, and Medication in Parkinsonism.", Science., Vol 318, No. 5854, December 2007, Pp. 1309-1312. DOI: 10.1126/science.1146157.
23. David J. Foster & Matthew A. Wilson. "Reverse replay of behavioural sequences in hippocampal place cells during the awake state.", Nature 04587, Pp. 1-4. DOI:10.1038.
24. Nir Grossman,, David Bono, Nina Dedic, Suhasa B. Kodandaramalah, Andrii Rudenko, Ho-Jun Suk, Antonino M. Cassara, Esra Neufeld, Niels, Li Huei Tsai, Alvaro Pascual-Leone and Edwards S. Boyden, "Non-Invasive Deep Brain Stimulation via Temporally Interfering Electric Fields", Cell 169, pp 1029-1041, June1, 2017.
25. US Patent 8,121,694 to Molnar et al. entitled "Therapy control based on a patient movement state".
감지/자극 전극 세트(들)(12)에 의해 감지/기록 될 수 있는 전기적 활동의 유형은 단일 뉴런 전기적 활동(세포 외로 기록된 단일 신경 작용 전위), 동시에 감지/기록된 몇몇 뉴런의 전기적 활동(세포 외로 기록된 다중 신경 작용 전위), 세포 외 감지 기록된 필드 전위, (Ecog 어레이 유형을 기록하는 표면과 함께 기록된 Ecog와 같은) 다중 뉴런으로부터 합산된 전기적 활동의 피질전도 유형 감지/기록(Ecog)을 포함할 수 있다.
또한, 단일 또는 다중 신경 전기 활동을 나타내는 신경 전기 활동을 기록하고 단일 또는 다중 뉴런을 전기적으로 자극하기 위한 전기적 전도성 전극을 포함하는 전극 세트는 신경 조직과의 상호 작용 및 그들의 잘 차별화된 특성으로 인하여 선호되지만, 본 출원의 시스템 이러한 전극 세트들을 사용하는 장치들의 전기적 기록 및 자극 유형에 국한되지 않는다. 오히려, 다른 유형의 감지 및/또는 자극 장치가 또한 시스템(10)의 전극 세트(들)(12)를 대체하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들어, 신경 조직 활동의 광학적 검출을 사용하는 감지 및/또는 자극 장치가 사용될 수도 있으며, 아마도 단일 또는 다중 뉴런을 자극하기 위한 광학적 방법을 사용하는 자극 장치가 사용될 수도 있다. 이러한 광학 장치는 예를 들어 다음의 참고 문헌에 개시되어 있다:
1. Edward S. Boyden, Feng Zhang, Ernst Bamberg, Georg Nagel & Karl Deisseroth., "Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.", Nature Neuroscience, Vol. 8, No. 9, September 2005, Pp. 1263-1268. DOI:10.1038/nn1525.
2. Karl Deisseroth. "Optogenetics.", Nature Methods, Vol. 8, No. 1, January 2011, Pp. 26-29. DOI: 10.1038/NMETH.F.324.
3. Karl Deisseroth. "Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience., "Nature Neuroscience, Vol. 18, No. 9, September 2015, Pp. 1213-1225.
4. Andre Berndt, and Karl Deisseroth." Expanding the optogenetics toolkit: A naturally occurring channel for inhibitory optogenetics is discovered." Science, Vol. 349, No. 6248, August 7, 2015, Pp. 590-591.
본 출원의 시스템에서 사용될 수 있는 다른 유형의 전극 세트들은 본 출원에 개시된 임의의 참조 문헌들에 개시된 임의의 유형의 전극 세트(들)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 이론적 계산은 초음파 통신 방법을 사용하는 특정 유형의 "신경 먼지(neural dust)" 구현이 매우 작은(약 50 미크론 크기) 비 연결형(non-tethered) 무선 장치가 감지 및/또는 자극 목적을 위해 신경 조직에 이식될 수 있음을 나타낸다. 이러한 신경 먼지 구현의 예는 다음 문헌에서 찾을 수 있다:
1) Dongjin Seo, Ryan M. Neely, Konlin Shen, Utkarsh Singhal, Elad Alon, Jan M. Rabaey, Jose M. Carmena and Michel M. Maharbiz, entiteled "Wireless Recording in the Peripheral Nervous System with Ultrasonic Neural Dust", published in Neuron 91, 529-539, August 3, 2016.
2) Biederman William et al. "A Fully Integrated Miniaturized (0.125mm2) 10.5 μW wireless neural sensor". Published in IEEE Journal of solid State Circuits, Vol. 48 Issue 4, April 2013 : DOI: 10.11o9/JSSC 2013.2238994.
Ecog 전극 어레이, 그의 사용 방법, 및 이에 의해 감지된 뉴런 활동 관련 신호를 분석하기 위한 방법 및 알고리즘이 다음의 문헌에 개시되어 있다:
1) David T Bundy, Mrinal Pahwa, Nicolas Szrama and Eric C Leuthardt," decoding three-dimensional reaching movements using electrocorticographic signals in humans", J. Neural Eng. 13, 23 February 2016.
2) Gerwin Schalk and Eric C Leuthardt, "Brain -Computer Interfaces Using Electrocorticographic signals", IEEE Reviews In Medical Engineering, Vol. 4, 2011.
3) Eric C Leuthardt, Gerwin Schalk, Jonathan R Wolpaw, Jefrey G Ojemann and Daniel W Moran; "A Brain-Computer Interface Using Electrocorticographic Signals In Humans". J. Neural Eng. 1. Pp. 63-71 (2004).
감지/자극 전극 세트(들)(12)는 여러 유형의 하나 이상의 전극 또는 전극 세트의 임의의 조합일 수 있다. 예를 들어, 피질 영역 감지/자극의 경우, 전극 세트(들)(12)는 뇌의 표면에 배치된 단일 또는 다중 전극을 갖는 표면 기록 비침습적 전극들, 피질 표면을 관통하는 것에 의하여 관련 피질 층들 내에 침습적으로 이식된 하나 이상의 유타(Utah) 어레이 또는 다른 다중 전극 어레이 유형과 같은 침습적 전극 세트(들), 피질의 표면 또는 Dura의 표면에 배치된 침습형으로 이식된 Ecog 타입 전극 어레이를 포함할 수 있다. (전형적으로, 비침습 감지/자극을 요구하는 애플리케이션에서) 일부 실시예에서, 전극 세트(들)(12)는 당업계에 공지된 바와 같이 사용자의 두피의 표면 상에 배치된 두개 밖 EEG 타입 전극을 포함할 수도 있다.
뇌심부 영역 또는 뇌심부 구조의 감지 및/또는 자극을 필요로 하는 애플리케이션에 있어서, 전극 세트(들)(12)는 하나 이상의 뇌심부 구조 내에 주촉성으로(stereostatically) 이식될 수 있는 하나 이상의 침습적 유형의 전극들 또는 전극 어레이들을 포함할 수 있다. 이러한 전극 세트(들)은 뇌심부 구조(들)에 주사하는 것에 의하여 이식될 수 있는, 깊게 주입 가능한 (메쉬 타입 또는 다른 타입의) 가요성 전극 어레이들을 포함할 수 있다. 추가적으로, Oxley et al., "Minimally invasive endovascular stent-electrode array for high-fidelity, chronic recordings of cortical neural activity", in Nature Biotechnology 34(3),　February 2016 DOI: 10.1038/nbt.342에 개시된 바와 같이, 센싱 및/또는 자극 전극 또는 전극 어레이들을 포함하는 스텐트 타입 장치(들)은 뇌심부(들) 내 감지 및 자극을 수행하기 위하여 뇌심부(들)의 근처 혈관 내에 반침습적 (또는 최소 침습적)으로 전달되어 배치될 수 있다.
시스템(10)의 전극 세트(들)(12)는 뇌의 다양한 상이한 영역 내의 신경 활동을 감지하고 자극된 CNS 영역(들)에서 신경 활동을 촉발시키기 위해 사용자의 중추 신경계(17)의 하나 이상의 영역을 자극하도록 배열된다. 두피에 이러한 전극 세트(들)를 배치하기 위한 및/또는 표면 피질 전극 세트(들), 전극 어레이를 이식하기 위한, 및/또는 피질 내 또는 뇌심부 구조에 관통 전극을 이식하기 위한 다양한 기술 및 방법이 당업계에 잘 알려져 있으며, 이는 본 출원의 주제가 아니고, 여기서 참조된 참조문헌들뿐만 아니라 문헌들에도 잘 개시되어 있다.
이제, 본 발명의 시스템의 한 실시예에 따라, 일반적인 컴퓨팅 작업을 수행하기 위해 이용 가능한, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템의 개략적인 블록도인 도 2를 참조한다. 시스템(20)은 상술한 바와 같이 프로세서 컨트롤러(들)(14)을 포함한다. 시스템(20)은 또한 상술한 바와 같이 프로세서/컨트롤러(들)(14)에 적절하게 결합된 메모리/데이터 저장 장치(들)(16), (선택적) 보조 센서(들)(18) 및 (선택적) 이펙터 장치(들)(15)을 포함할 수 있다. 시스템(20)은 운동 피질(23) (및/또는 선택적으로 전운동 피질)에서 신경 활동을 감지(및/또는 기록)하기 위한 감지 전극 세트(들)(12B) 및 일차 시각 피질(21)을 자극하기 위한 다른 감지 전극 세트(들)(12B)을 포함할 수도 있으며, 시각 피질의 자극의 결과로 인하여 시스템(20)의 사용자는 사용자의 시야 내 가상 이미지를 인지할 수 있다.
가상 이미지는 사용자의 눈에 의해 받아들여지고 시각 경로를 통해 시각 피질로 정상적으로 중계되므로, 주변의 “실제” 시각 이미지와 통합되거나 중첩될 수 있다.
시스템(20)의 사용자에 의해 인지되는 가상 이미지는 다양한 작업을 수행하고 및/또는 (내부 신체정보 또는 보조 센서(들)(18)에 포함되는 의학 센서들에 의하여 제공되는 것과 같이) 사용자에게 데이터 또는 정보를 제시하기 위한 유용한 임의의 바람직한 이미지일 수 있다.
사용자에게 제시되는 정보 또는 데이터는 그래픽 정보 (이미지 또는 이미지들) 및/또는 (문자 및/또는 숫자를 포함하는 텍스트 정보와 같은) 영숫자 및 이러한 시각적으로 인식 가능한 이미지의 임의의 적절한 조합일 수 있다. 예를 들어, 일차 시각 피질(21) (또는 시각 피질의 임의의 다른 부분 또는 영역)을 자극하는 것에 의하여, 가상 이미지는 사용자에 의해 인지될 수 있으며, 이는 사용자가 하나 이상의 일반 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있도록 하는 가상 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 포함할 수 있다. 일반 컴퓨팅 작업은 프로세서/컨트롤러(들)(14) 상에서 동작 가능한 임의의 소프트웨어 프로그램(들) (또는 그의 임의의 서브 루틴)의 운용을 동작 및/또는 제어하는 것을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
예를 들어, 일차 시각 피질(21)의 자극은 사용자에 의하여 시각적으로 관찰될 수 있는 정상적으로 감지된 시야(FOV)에 중첩된 가상 대화 상자를 사용자가 인지하게 할 수 있다. 이러한 가상 대화 상자는, 예를 들어 가상 커서를 가상 버튼으로 이동시킴으로써, 가상 대화 상자에 포함된 "가상 버튼" 상에 "포인팅" 또는 "클릭"하는 것에 의하여 선택될 수 있는 선택 가능한 옵션들을 포함할 수 있다. 또한, 사용자는 하나 또는 두 개의 닫힌 또는 반 닫힌 “움켜 잡기”나 “꼬집기” 제스쳐로 컨텐츠를 움켜잡거나, 꼬집거나, 붙잡는 것과 같은 자연스러운 제스쳐를 사용하여 3D 도구 또는 2D 또는 3D 컨텐츠를 옮기거나, 회전시키거나, 크기를 조정하고, 사용자의 공간 주변에서 손의 중심을 이동(또는 이동하려는 계획 및/또는 의도)에 의하여 컨텐츠를 조작하는 것에 의하여, 인위적으로 유도된 가상 이미지 또는 대화 박스와 상호작용할 수도 있다. 추가적인 실시예는 물리적인 것을 이동시키거나 이동을 계획하는 것에 의하여 더 많은 가상의 가지들(limbs)을 이동시키는 능력을 포함한다. 종래의 가상 현실(VR) 장치 및 시스템에서, 컴퓨팅 작업을 제어하기 위한 상호작용 이미지는 일반적으로 HUD 장치 또는 가상 현실 고글 또는 안경에 의해 사용자에게 제시되고, 사용자의 망막 내로 투사되며 사용자에 의하여 인지될 수 있도록 사용자의 시각 경로를 통하여 정성적으로 이동한다. 그러나, 대조적으로, 본 출원의 가상 이미지(들)은 (일차 시각 피질 및/또는 시각 피질의 다른 영역(들) 또는 시각 피질의 이러한 영역들의 임의의 바람직한 조합의) 시각 피질에 대한 직접 자극의 결과이다.
시각 피질의 직접 자극에 의하여 외부 이미저 이미지를 사용하여 획득된 이미지의 이러한 제시는 당업계에 공지되어 있으며, 환자의 시각 피질 자극에 의하여 비디오 카메라에 의해 감지된 환경과 관련된 영상을 시각 장애 환자에게 제공하는데 성공적으로 사용되어 왔다. 그러나, 시스템(20)에서, 사용자는 사용자가 팔을 자발적으로 움직이거나 또는 (팔을 실제로 움직이지 않고) 소정 방향으로 팔을 움직이도록 계획하거나 의도함으로써 운동 피질(23)에서의 신경 활동을 감지하는 시스템(이에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 감지 전극(들)(12B))을 사용하여 (가상 대화 상자, 커서 이미지, 또는 임의의 다른 그래픽 이미지 또는 기호와 같은) 가상 이미지와 상호작용할 수 있다.
인공기관의 움직임을 제어하기 위해 운동 피질에서의 신경 활동을 감지하기 위한 BCI의 사용은 당업계에 잘 알려져 있으며, 운동 피질에서 감지된 신호들의 적절한 프로세싱에 의하여 인공기관의 동작을 위한 명령이 생성되는 것은 David T. Bundy, Mrinal Pahwa, Nicholas Szrama & Eric C. Leuthardt, in the paper entitled, "Decoding three-dimensional reaching movements using electrocorticographic signals in humans.", published in Journal of Neural Engineering, Vol. 13, No. 2, 2016, Pp. 1-18. DOI:10.1088/1741-2560/13/2/026021에 상세하게 기재되어 있다.
본 발명의 발명자가 알고 있는 한, 일반적인 컴퓨터 작업을 수행하기 위한 목적으로 시각 피질을 직접 자극하는 것에 의하여 사용자에게 제시된 가상 이미지와 상호작용하기 위해 운동 피질에서의 신경 활동의 감지 및 처리를 사용하는 것은 한번도 가르쳐지거나 제안된 것이 없다.
일반적인 컴퓨팅 작업은, 예를 들어, 프로세서/컨트롤러(들)(14)에 프로그램된 컴퓨터 프로그램의 실행을 개시 또는 시작 또는 중지하고, (프로세서/컨트롤러(들)(14)의 제어 하에 자극 전극 세트(들)(12A)에 의해 시각 피질을 자극하는 것에 의하여 제시되는) 프로그램의 가상 그래픽 사용자 인터페이스와 상호작용하거나, 데이터 및/또는 정보를 사용자에게 디스플레이하거나, 프로세서/컨트롤러(14)에 있는 컴퓨터 소프트웨어를 통하여 하나 이상의 이펙터 장치(들)(15)의 동작을 제어하기 위한 가상 GUI와 상호작용하거나, 프로세서/컨트롤러(들)14에 의하여 제어되는 사용자의 시각 피질 자극의 결과로 인식되는 가상 이미지로 사용자의 상호작용을 제어하기 위하여 운동 피질에서 감지하고 감지된 신호를 처리하는 것을 통하여 이러한 자발적이고 활동적인 상호작용에 의해 수행 가능한 다른 유형의 컴퓨팅 작업일 수 있다.
시스템(20)의 장점 중 하나는 시각 피질을 직접 자극한 결과 가상 이미지가 사용자에 의해 인지되기 때문에, HUD 또는 VR 고글 또는 다른 VR 장치가 필요 없다는 점이다.
또 다른 장점은, 이미지와 상호작용하기 위하여 실제 사지(limb) 움직임을 수행하는 것과 달리, 전운동 피질에서의 기록은 운동 피질에서의 활동 및 근골격 시스템 활성을 (일반적으로 약 200-500마이크로세컨드로) 상당 시간 선행할 수 있으므로, 더 빠를 수 있다. 따라서, 시스템(20)은 작업 수행에 VR 장치를 사용하는 다른 시스템보다 더 빠르게 반응할 수 있으며, 소정의 작업에 대한 사용자 반응 시간을 개선할 수 있다. 예를 들어, 이는 소정 유형의 이펙터 장치(들)(15)의 동작 및/또는 제어의 속도를 개선하는데 매우 유리할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 반응 시간이 매우 중요할 수 있는, 비행체 또는 육상 차량의 작동과 같은 작업에서, 여기서 개시된 인지 향상 시스템에 대한 명백한 이점이 있다. 또 다른 장점은 단일 사지를 직접 이동시키거나 이동시키려는 계획으로부터 복수의 가상 사지를 제어하는 능력일 수 있다. 이러한 일대 다 접근은 매우 직관적인 방식으로 사용자가 보다 세밀하고 다차원적으로 제어할 수 있게 한다.
본 발명의 시스템은 후술하는 바와 같이, 소정의 장애를 가지는 환자 또는 정상적인 사용자에 대하여 (예를 들어, 주의 집중, 주의 수준, 단기 기억 능력, 장기 기억 능력, 작업 기억 능력)과 같은 인지 작업의 능력을 증강 및/또는 개선 및/또는 향상 및/또는 제어 및/또는 조절하기 위하여 사용될 수도 있다.
본 발명의 시스템은 예를 들어, 상이한 종류의 자극에 대한 작업 기억 저장 아이템의 수를 증가시키거나, 사용자가 작업 기억에서 주어진 작업 기억 아이템을 유지할 수 있는 시간을 증가시키거나, 사용자가 특정 자극에 대해 주의를 기울일 수 있는 시간을 증가시키거나, 경쟁 자극을 "차단(block off)"하는 사용자의 능력에 의해 특정 자극에 대한 집중의 강도를 증가시키거나, 감지 전극 세트(들)(12C)에 의해 DLPFC를 직접 자극하거나 (예를 들어 이펙터(15)에 의하여) 신경 전달 물질 도파민의 목표 방출에 의해 간접적으로, 또는 DLPFC의 선택된 영역 근방 또는 직접 초점을 맞추어 도파민을 주입하는 능력을 가지는 감지 전극 세트(들)(12C)의 변형된 버전에 의하여 관련 DLPFC 회로(들)의 전기적 활동을 선택적으로 증가시키기 위한 사용자의 능력에 의해 특정 자극에 대한 주의의 강도를 증가시키거나, 텍스트, 이미지 등과 같은 자극 분석의 속도를 증가시키고 이를 장기 기억으로 저장하는 데에도 사용될 수 있다.
국소 피질 주사기 및 (예를 들어, 감지 전극 세트(들) (12C)과 같은) DLPFC 감지 전극 세트로 구성되는 이펙터(15)를 이용하여 (예를 들어, 도파민과 같은) 신경전달물질을 국소적으로 주입하는 능력을 가지는 본 발명의 실시예에서, 주의, 작업 기억 또는 DLPFC에서 감지를 수행하는 BCI 시스템에 의하여 측정된 다른 인지 능력의 현재 수준에 기초하여, 시스템은 이펙터(15)에 의해 방출된 신경 전달 물질(예를 들어, 도파민)의 양, 관심있는 CNS 위치의 존재를 측정하고 이를 조절할 수 있다.
국소 피질 주사기 및 (예를 들어, 감지 전극 세트(들) (12C)과 같은) DLPFC 감지 전극 세트로 구성되는 이펙터(15)를 이용하여 (예를 들어, 도파민과 같은) 신경전달물질을 국소적으로 주입하는 능력을 가지는 본 발명의 실시예에서, 보조 센서(들)(18) 중 하나는 (예를 들어, 사용자의 심장 박동수, 사용자의 혈압 또는 사용자의 임의의 다른 적절한 생리적 또는 물리화학적 파라미터와 같은) 하나는 생리적 파라미터를 측정하기 위한 센서(들)을 포함한다. DLPFC에서 관심 영역에 소정 양의 신경 전달 물질이 존재하는 동안, 시스템은 사용자의 인지 능력에 기초할 뿐만 아니라, 생리적 파라미터의 값을 결정하고 이펙터(15)에 의해 DLPFC로 전달되는 신경 전달 물질의 양을 조절하거나 변화시키는데 사용하는 것에 의하여 주입된 전달 물질의 양을 조정할 수 있다.
이제, 본 발명의 시스템의 일부 실시예에 따라, 배외측 전전 두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)에서의 신경 활동을 감지하고, 여러 뇌심부 구조를 전기적으로 자극하기 위한 하나 이상의 전극 세트를 포함하는, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템의 한 실시예를 도시하는 개략적인 블록도인 도 3을 참조한다.
시스템(30)은 상술한 바와 같이 메모리 데이터 저장 장치(들)(16)에 (선택적으로) 적절히 결합되거나 연결될 수 있는 프로세서/컨트롤러(들)(14)를 포함할 수 있다. 프로세서/컨트롤러(들)(14)은 또한 (도 1 및 2 각각의) 시스템들(10, 20)에 대하여 상술한 바와 같이 (선택적으로) 보조 센서(들)(18) 및/또는 이펙터 장치(들)(15)에 적절하게 결합되거나 연결될 수 있다.
시스템(30)은 또한 하나 이상의 감지 및 자극 전극 세트(들)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 시스템(30)의 특정 실시예는 하나 이상의 감지 전극 세트(들)(12C) 및 하나 이상의 자극 전극 세(들)(12D)를 포함한다. 감지 전극 세트(들)(12C) 및 자극 전극 세트(들)(12D)는 프로세서/컨트롤러(들)(14)에 적절히 연결된다.
감지 전극 세트(들)(12C)는 배외측 전전두피질(39)에 적절히 결합되고 (감지 전극 세트(들)(12C)을 구현하기 위해 사용된 구성의 유형에 따라) DLPFC(39)의 표면 근처 또는 DLPFC(39) 내에 배치된다. 예를 들어, 감지 전극 세트(들)(12C)는 당업계에 공지되고 상술된 바와 같이, DLPFC(39)의 신경 활동을 나타내는 피질전도(Ecog)를 감지/기록하기 위하여 DLPFC(39)의 표면에 배치된 가요성 평탄 표면 전극 어레이일 수 있다. 그러나, 감지 전극 세트(들)(12C)는 표면 감지를 수행하거나, DLPFC(39) 내에 이식하기 위하여 전술한 바와 같은 임의의 다른 유형의 전극 세트(들)이거나 전술한 바와 같은 스텐트 전극 어레이 유형일 수도 있다. 예를 들어, 상기에서 개시된 주입 가능한가요성 메시형 전극 어레이는 DLPFC에서의 감지를 위해 사용될 수 있다. 또한, 이러한 주입 가능한 가요성 메쉬형 전극 어레이는 자극 및 감지 모두에 사용될 수 있으므로, 이들은 메쉬형 전극 어레이가 DLPFC에서 감지 및 자극를 위하여 사용될 수 있는 시스템 구성에 사용될 수 있다. 이러한 실시예는 이하에서보다 상세하게 설명된다.
자극 전극 세트(들)(12D)는 선조체(41)에 적절하게 결합되며, 선조체(41) 내에 배치될 수 있다. 자극 전극 세트(들)(12D)는 선조체 또는 선조체의 일부 또는 일부들을 자극하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 자극은 자극 전극 세트(들)(12D)에 의해 미상핵 또는 조가비핵 또는 미상핵과 조가비핵 모두로 전달될 수 있다. 자극은 선조체 또는 그 일부의 단일 위치 또는 다중 위치에서, 또는 2개의 중심 도파민 경로 중 하나를 발생시키거나 전파하는 이웃 영역에서 전달될 수 있다. 자극될 수 있는 다른 영역들은 흑질, 측좌핵 및 배후선조체를 포함한다. 일반적으로, 중간피질 흑질선조체, 결절누두 및 중변연계 내 변연계 구조의 일부인 영역도 인지 능력의 증강/향상/개선을 달성하기 위해 자극될 수도 있다.
선조체(41)의 자극은 선조체가 뇌 내의 비교적 깊은 곳에 위치하는 하부 피질 영역이므로, 뇌심부구조의 자극으로도 지칭된다. 뇌심부 구조의 자극이라는 용어는 피질 아래 또는 내부에 배치된 다른 뇌 구조 및/또는 뇌 영역의 자극을 지칭하기 위해 사용되기도 한다는 유의해야 한다. 예를 들어, 감지 전극 세트(들)(12C)는 당업계에 공지되어 있고 전극 세트 유형에 관해 위에서 기재된 바와 같이 뇌심부 구조에 이식될 수 있는 임의의 유형의 관통 다중 전극 어레이일 수 있다. 자극 전극 세트(들)(12D)는 뇌심부 구조 내에서의 뉴런 또는 뉴런 집단 활성의 자극 (및/또는 감지)을 수행할 수 있는 위에서 기재된 바와 같은 임의의 유형의 전극 세트(들)일 수도 있다. 이러한 전극 세트들은, 예를 들어 위에서 기재된 바와 같이, 뇌심부 구조 내에 이식되기 위한 이식가능하고 주입가능하며 접힐 수 있는 메쉬 전극 어레이, 또는 뇌심부 구조 내 또는 근처에서 혈관으로 맥관 구조를 통해 삽입될 수 있는 스텐트 전극 어레이 유형을 포함할 수 있다.
시스템(30)의 동작 시, 프로세서/컨트롤러(들)(14)는 학습을 필요로 하는 인지 작업, 주의의 집중 및/또는 포커싱, 지속적인 주의, 작업 기억의 사용 또는 이상에서 기술된 인지 작업의 임의의 다른 유형들을 나타내는 활동의 패턴(들)을 검출하기 위하여 DLPFC(39) 내의 감지 전극 세트(들)(12C)에 의해 감지된 신호를 처리할 수 있다.
이러한 패턴 (또는 패턴들)이 검출되면, 프로세서/컨트롤러(14) (및 그 위에서 동작하는 임의의 소프트웨어 프로그램)는 선조체(41) (또는 이하의 도 4 및 도 5에서 설명되는 바와 같은 임의의 다른 뇌심부 구조)로 전달되는 자극 신호(또는 정기의 시공간 자극 패턴)의 정기의 적용을 제어할 수 있다. 선조체(41)의 자극은 VTA 영역의 활성화를 초래할 수 있고, (PFC 및 DLPFC를 포함하는) 신경계의 많은 영역에 이르는 도파민계는 주의를 지속하고 주의를 집중하는 인지 능력을 개선 및/또는 향상 및/또는 증강 및/또는 조절하며, 심지어 작업을 수행하는 동기를 증가시켜, 특히 개선된 작업 기억 능력, 향상되고 더욱 집중된 주의력, 증가된 학습 및 기억 능력 상한, 인지 작업을 수행하는데 있어서 더욱 빨라진 사용자 반응 및 다른 유형의 인지 증강 또는 향상을 포함하는, 더욱 좋거나 증가된 (증강된) 인지 능력을 얻을 수 있다. 본 출원에서 사용되는 용어 "조절하는(modulating)"은 소정의 인지 기능을 약화시키는 것을 포함할 수도 있으며, 이는 소정의 작업에 대한 집중으로부터 사용자의 주의를 분산시키거나 끌어내어 특정 유형의 자극에 대한 선택적 “차단” 또는 주의를 지칭할 수도 있다. 그러므로, 조절(modulating)이라는 용어는 선택적인 "인지 능력 저하"뿐만 아니라 "인지 능력의 증가 또는 증강"으로 해석되거나 의미할 수도 있다.
연상 기억 작업, 암기 작업, 비교 작업 또는 임의의 다른 요구 인지 작업과 같은 인지 작업을 수행하기 위한 준비 또는 사용자에게 제시하는 것과 연관된 특정 활동 패턴(들)의 검출에 대해 반응하는 선조체에 대한 자극의 애플리케이션은 이러한 자극 애플리케이션의 타이밍 (및/또는 시공간 특성)이 사용자의 인지 능력에 영향을 미치거나 향상시키는데 중요하므로 자동적인 것이 바람직하다. 그러나, (필요하다면, 이러한 자극을 자발적으로 제어할 수 있는 시스템에 대한 특정 예인 도 5를 참조하면) 향상된 인지 능력이 소정 기간 동안 필요한 것으로 예상되는 경우, 자극의 일정한 주파수 패턴과 일정한 강도로 일정한 수준의 자극을 자발적으로 사용하는 것이 가능할 수도 있으며, 이로 인해 주의력 지속의 일반적인 수준을 높이기 위해 더 많은 신경 전달 물질이 중변연계 (또는 다른) 도파민 경로로 방출될 수 있다.
시스템(30)은 시스템의 다양한 구성 요소가 와이어에 의해 시스템(30)의 다른 구성 요소에 연결될 수 있는 유선 시스템으로 구현되지만, 이것은 필수적인 것은 아니며, 시스템(30) 또는 여기에 개시된 임의의 시스템의 구성요소의 일부 또는 전부는 다른 구성요소들에 무선으로 연결될 수 있다.
이제, 본 발명의 시스템의 일부 실시예에 따라, 배외측 전전 두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)에서의 신경 활동을 감지하고, 특히 학습, 기억 및 주의 집중과 관련된 하나 이상의 뇌심부 구조를 전기적으로 자극하기 위한 하나 이상의 전극 세트를 포함하는, 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템의 한 무선 실시예를 도시하는 개략적인 블록도인 도 4를 참조한다.
시스템(40)은 상술한 바와 같이 메모리 데이터 저장 장치(들)(16)에 (선택적으로) 적절히 결합되거나 연결될 수 있는 프로세서/컨트롤러(들)(14)를 포함할 수 있다. 프로세서/컨트롤러(들)(14)은 시스템 (40)의 다른 구성요소들과 무선 통신하기 위해 무선 트랜시버(TX1)(31)에 적절하게 연결되거나 결합된다. 프로세서/컨트롤러(들)(14)는 무선 트랜시버(33)(TX3)를 통해 (선택적으로) 보조 센서(들)(18)에 (선택적으로) 적절하게 무선으로 결합되거나 연결될 수도 있다. 프로세서/컨트롤러(들)(14)는 무선 트랜시버(34)(TX4)를 통해 (선택적으로) 이펙터 장치(들)(15)에게 (선택적으로) 적절하게 무선으로 결합되거나 연결될 수도 있다. 시스템(40)은 상술한 바와 같이 자극 전극 세트(들)(12A)을 포함할 수도 있으며, 이는 프로세서/컨트롤러(들)(14)에게 신호를 보내거나 및/또는 프로세서/컨트롤러(들)(14)로부터 신호를 수신하기 위하여 자극 전극 세트(들)(12A)에 연결된 트랜시버(35)(Tx5)를 통하여 트랜시버(31)와 무선 통신할 수 있다. 시스템 (40)은 상술한 바와 같이 자극 전극 세트(들)(12D)도 포함할 수 있으며, 이는 프로세서/컨트롤러(들)(14)에게 신호를 보내거나 및/또는 프로세서/컨트롤러(들)(14)로부터 신호를 수신하기 위하여 자극 전극 세트(들)(12D)에 연결된 트랜시버(32)(Tx2)를 통하여 트랜시버(31)와 무선 통신할 수 있다.
자극 전극 세트(들)(12D)은 하나 이상의 뇌심부 구조에 자극을 전달하기 위하여 배치되며 구성된다. 이러한 뇌심부 구조는 선조체, 미상핵, 조가비핵(putamen), 측좌핵, 청반, 해마, 편도체 및/또는 중변연계의 뇌심부 구조, 학습 및/또는 기억 및/또는 주의 집중을 향상시키거나 촉진시키는데 기능적으로 참여하는 뇌심부 구조, 뇌의 하부 피질 영역 및 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 시스템의 다른 실시예에 따르면, 자극 전극 세트(들)(12D)는 선택적으로 또는 추가적으로 (하나 이상의) 뇌심부 구조, 즉 시상 하부 구조 또는 핵, 시상 구조 또는 핵 및 서브 시상 구조 또는 핵에 자극을 전달할 수 있다. 이러한 자극은 선조체 및/또는 시상/시상 하부/서브시상 구조의 자극 대신 또는 이에 추가하여 전달될 수 있다.
감지 전극 세트(들)(12A)는 배외측 전전두피질(39)에 적절히 결합되고 (감지 전극 세트(들)(12A)을 구현하기 위해 사용된 전극 세트(들)의 유형에 따라) DLPFC(39)의 표면 근처 또는 DLPFC(39) 내에 배치된다. 자극 전극 세트(들)(12A)은 DLPFC(39)의 신경 활동과 연관된 신호를 감지하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 감지 전극 세트(들)(12A)는 당업계에 공지되고 상술된 바와 같이, DLPFC(39)의 신경 활동을 나타내는 피질전도(Ecog)를 감지/기록하기 위하여 DLPFC(39)의 표면에 배치된 가요성 평탄 표면 전극 어레이일 수 있다. 그러나, 감지 전극 세트(들)(12A)는 표면 감지를 수행하거나, DLPFC(39) 내에 이식하기 위한 전술한 바와 같은 임의의 다른 유형의 전극 세트(들)이거나 전술한 바와 같은 스텐트 전극 어레이 유형일 수도 있다.
자극 전극 세트(들)(12D)는 전술한 바와 같이 하나 이상의 뇌심부 구조(들)(37)에 적절히 결합되고, 사용되는 자극전극 세트(들)(12D)의 유형에 따라, 하나 이상의 뇌심부 구조 또는 구조들 내 또는 근처에 배치될 수 있다. 자극 전극 세트(들)(12D)는 뇌심부 구조(들)을 자극하기 위해 사용될 수 있다. 뇌심부 구조(들)(37)은 뇌 내의 비교적 깊은 곳에 위치하는 피질 하부 영역이므로, 뇌심부 구조(들)(37)의 자극은 뇌심부 구조들의 자극이라고도 불린다. 뇌심부 구조의 자극이라는 용어는 피질 아래 또는 내부 및/또는 뇌 내부 깊은 곳에 배치된 다른 뇌 구조 및/또는 뇌 영역의 자극을 지칭하기 위해 사용되기도 한다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 자극 전극 세트(들)(12D)는 상술한 바와 같이 뇌심부 구조에 이식될 수 있는 임의의 유형의 관통 다중 전극 어레이일 수 있다. 자극 전극 세트(들)(12D)는 뇌심부 구조 내에서의 뉴런 또는 뉴런 집단 활성의 자극 (및/또는 감지)을 수행할 수 있는 위에서 기재된 바와 같은 임의의 유형의 전극 세트(들)일 수도 있다. 이러한 전극 세트들은, 상술한 바와 같이, 예를 들어 뇌심부 구조 내에 이식되기 위한 이식가능하고 주입가능하며 접힐 수 있는 메쉬 전극 어레이, 관련 뇌심부 구조 내 또는 근처에서 혈관으로 맥관 구조를 통해 삽입될 수 있는 (이하에서 “스텐트로드”라 지칭될 수도 있는) 스텐트 전극 또는 스텐트 전극 어레이 유형을 포함할 수 있다.
자극 전극 세트(들)(12A)에 의해 감지된 신호가 프로세서/컨트롤러(14)에 무선으로 전달된다는 것, 자극 전극 세트(들)(12D)로 자극 신호 또는 자극 커맨드가 프로세서/컨트롤러(들)(14)로부터 무선으로 전달된다는 것, 보조 센서(들)(18), 이펙터 장치(들)(15) 및 프로세서/컨트롤러(들)(14) 간의 통신이 무선으로 수행된다는 것을 제외하고 시스템(40)의 동작과 시스템(30)의 동작은 유사할 수 있다. 자극 전극 세트(들)(12D)은 (필요하다면, 무선 통신 능력으로 인하여) 프로세서/컨트롤러(들)(14)로부터 자극 커맨드를 수신하고 해석하는데 필요한 모든 회로를 포함할 수 있으며, 자극 전달에 전력을 공급하기 위해 전원이 내장되어 있을 수 있다.
자극은 도 3의 시스템(30)과 관련하여 개시된 바와 같이 선조체(또는 선조체의 하나 이상의 부분)으로 전달될 수 있을 뿐만 아니라, 전술한 인지 향상 또는 인지 개선을 향상시키거나 개선하기 위하여 유용할 수 있는 소정의 뇌심부 영역으로 전달될 수도 있다.
이제, 본 발명의 증강된/향상된 인지 시스템의 일부 실시예에 따라, 배외측 전전 두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC) 피질 영역 및 (선택적으로) 다른 피질 영역에서의 신경 활동을 감지하고, 특히 학습, 기억 및 주의 집중과 관련된 하나 이상의 뇌심부 구조를 전기적으로 자극하기 위한 몇몇 전극 세트(들)을 포함하는 사용자의 인지 능력을 증강하거나 향상시키거나 개선하기 위한 시스템을 나타내는 개략적인 블록도인 도 5를 참조한다.
시스템(50)은 도 1 내지 3에 개시된 바와 같이 연결되는 프로세서/컨트롤러(14), 메모리/데이터 저장 장치(들)(16), 보조 센서(들)(18), 이펙터 장치(들)(15), 자극 전극 세트(들)(12A), 자극 전극 세트(들)(12D)을 포함할 수 있다.
시스템(50)은 프로세서/컨트롤러(들)(14)에 적절히 연결된 감지 전극 세트(들)(12C)를 포함할 수도 있다. 감지 전극 세트(들)(12C)는 도 4에 관하여 상술한 바와 같이 선조체(41)의 자극을 위하여 사용될 수 있다. 자극 전극 세트(들)(12D)는 해마(43), 측좌핵(45) 및 편도체(47)에 자극을 전달하는데 사용될 수 있다. 자극 전극 세트(들)(12D)에 의해 자극 가능한 뇌심부 구조들 각각의 자극은, 상술한 바와 같이 개시된 임의의 인지 작업의 능력을 향상시키기 위해 경험적으로 발견되는 하나 이상의 선택된 시공간 패턴에 따라 수행될 수 있다.
자극 전극 세트(들)(12A)는 도 2와 관련하여 개시된 DLPFC(39) 및 운동 (및/또는 전운동) 피질(23A) 모두에서의 신경 활동 관련 신호를 감지할 수 있다. 자극 전극 세트(들)(12A)는 도 2의 시스템(20)과 관련되어 상세하게 설명한 바와 같이 일차 시각 피질(21)을 자극하기 위하여 사용될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 시스템은 외부 텔레메트리 유닛(19)과 무선으로 통신하기 위한 (선택적인) 텔레메트리 유닛(17)을 포함할 수 있다. 텔레메트리 유닛 (17)은 프로세서/컨트롤러(들)(14)과 양방향 통신할 수 있으며, 데이터를 추가 프로세싱하고 추가 저장하며 디스플레이하기 위하여 메모리/데이터 스토리지(16) 및/또는 프로세서/컨트롤러(들)(14)로부터 외부 텔레메트리 유닛(19)까지 무선으로 데이터를 전달하는데 사용될 수 있다. 외부 텔레메트리 유닛(19)은 또한 컨트롤러 프로세서(들)(14)을 동작시키는 소프트웨어를 리프로그래밍하기 위하여 및/또는 그들의 동작을 제어하기 위하여 프로세서/컨트롤러(들)(14)로 신호를 무선으로 보내는데 이용될 수도 있다. 예를 들어, 프로세서/컨트롤러(들)(14), 전극 세트들(12A, 12B, 12C), 메모리/스토리지(16), 보조 센서(들)(18) 및 이펙터 장치(들)(15)의 일부 또는 전부가 두개 내에 이식된 경우, 텔레메트리 유닛 (17)은 전술한 바와 같이 외부 텔레메트리 장치 (19)와 무선통신하기 위하여 두개 내에 배치될 수 있다.
시스템(50)은 상술한 바와 같이 인지 작업의 능력을 증강 및/또는 개선할 뿐만 아니라 상술한 바와 같이 일반적인 또는 특정 컴퓨팅 작업의 능력을 제어하기 위하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 일차 시각 피질(21) (및/또는 시각 피질의 다른 부분들)을 자극한 결과 사용자에 의해 인지되는 가상 GUI와 상호작용하는 것에 의하여, 사용자는 DLPFC(39) 내의 감지를 제어하는 소프트웨어 프로그램(들) 및/또는 선조체(41) 및/또는 해마(43) 및/또는 측좌핵(45) 및/또는 편도체(47)를 감지 전극 세트(들)(12C) 및/또는 자극 전극 세트(들)(12D)에 의하여 자극하는 것을 제어하는 프로그램(들)의 동작을 자발적으로 활성화 또는 비활성화시킬 수 있다. 또한, 사용자는 필요에 따라 인지 능력에 대한 자극의 강화 효과를 변화 및/또는 조절하기 위해 자극되는 뇌심부 구조들 각각의 자극 강도를 제어할 수 있다.
여러 유형의 자극 전극 세트 또는 다른 자극 장치를 이용하여 선조체(striatum)를 자극할 뿐만 아니라 다른 뇌심부 구조(deep brain structure)를 자극하기 위한 장치 및 방법은 당 업계에 널리 알려져 있다. 예를 들어, 다음의 공보는, 그 중에서도, 뇌심부 구조의 자극을 수행하기 위한 그러한 방법 및 장치를 개시하고 그 전체 내용이 여기에 참고로 인용된 아래 출판물에 상세히 개시되어 있다:
1. Husam A. Katnani, Shaun R. Patel, Churl-Su Kwon, Samer Abdel-Aziz, John T. Gale & Emad N. Eskander. "Temporally Coordinated Deep Brain Stimulation in the Dorsal and Ventral Striatum Synergistically Enhances Associative Learning.", Scientific Reports　6, Nature, Article　number:　18806 (2016).
2. J.T. Gale,　K. H. Lee, R.　Amirnovin,　D.W. Roberts,　Z.M. Williams, C.D.Blaha & E.N. Eskandar. 　"Electrical Stimulation-Evoked Dopamine Release in the Primate Striatum. Stereotactic and Functional Neurosurgery.", Karger Medical and Scientific Publishers,Vol. 91, No. 6, 2013.
3. Sarah K.B. Bick & Emad N. Eskandar. "Neuromodulation for restoring memory.", Neurosurgical Focus, JNS Journal of Neurosurgery, May 2016, Vol. 40, No. 5, Page E5.
4. Nikolaos　Makris, Yogesh　Rathi, Palig　Mouradian, Giorgio　Bonmassar, George　Papadimitriou, Wingkwai　I.　Ing, Edward　H.　Yeterian, Marek　Kubicki, Emad　N.　Eskandar, Lawrence　L.　Wald, Qiuyun　Fan, Aapo　Nummenmaa, Alik　S.　Widge & Darin　D.　Dougherty. "Variability and anatomical specificity of the orbitofrontothalamic fibers of passage in the ventral capsule/ventral striatum (VC/VS): precision care for patient-specific tractography-guided targeting of deep brain stimulation (DBS) in obsessive compulsive disorder (OCD). ", Brain Imaging and Behavior, December 2016,　Volume 10,　Issue 4,　Pp. 1054-1067.
5. Darin D. Dougherty, Ali R. Rezai, Linda L. Carpenter, Robert H. Howland, Mahendra T. Bhati, John P. O'Reardon, Emad N. Eskandar, Gordon H. Baltuch, Andre D. Machado, Douglas Kondziolka, Cristina Cusin, Karleyton C. Evans, Lawrence H. Price, Karen Jacobs, Mayur Pandya, Timothey Denko, Audrey R. Tyrka, Tim Brelje, Thilo Deckersbach, Cynthia Kubu & Donald A. Malone Jr., "A Randomized Sham-Controlled Trial of Deep Brain Stimulation of the Ventral Capsule/Ventral Striatum for Chronic Treatment-Resistant Depression"., Biological Psychiatry, August 15, 2015, Vol. 78, Issue 4, Pp. 240-248.
6. John T. Gale, Donald C. Shields, Yumiko Ishizawa & Emad N. Eskandar. "Reward and reinforcement activity in the nucleus accumbens during learning.", Frontiers in Behavioral Neuroscience, 03 April 2014,| 　www(dot)dx(dot)doi(dot)org/10(dot)3389/fnbeh(dot)2014(dot)00114.
7. Jesse J. Wheeler, Keith Baldwin, Alex Kindle, Daniel Guyon, Brian Nugent, Carlos Segura, John Rodriguez, Andrew Czarnecki, Hailey J. Dispirito, John Lachapelle, Philip D. Parks, James Moran, Alik S. Widge, Darin D. Dougherty & Emad N. Eskandar. "An implantable 64-channel neural interface with reconfigurable recording and stimulation.", IEEE Xplore Digital Library, www(dot)ieeexplore(dot)ieee(dot)org/document/7320208.
8. Lei Hamilton, Marc McConley, Kai Angemueller, David Goldberg, Massimiliano Corba, Louis Kim, James Moran, Philip D. Parks, Sang Chin, Alik S. Widge, Darin D. Dougherty & Emad N. Eskandar. "Neural signal processing and closed-loop control algorithm design for an implanted neural recording and stimulation system.", IEEE Xplore Digital Library, www(dot)ieeexplore(dot)ieee(dot)org/document/7320207.
9. Beata Jarosiewicz, Anish A. Sarma, Daniel Bacher, Nicolas Y. Masse, John D. Simeral, Brittany Sorice, Erin M. Oakley, Christine Blabe, Chethan Pandarinath, Vikash Gilja, Sydney S. Cash, Emad N. Eskandar,　Gerhard Friehs, Jaimie M. Henderson, Krishna V. Shenoy, John P. Donoghue & Leigh R. Hochberg. "Virtual typing by people with tetraplegia using a self-calibrating intracortical brain-computer interface." Science Translational Medicine, American Association for the Advancement of Science., Vol. 7, Issue 313, 11 November 2015.
다양한 피질 영역에서 전기적 피질 활동을 센싱하기 위한 방법 및 장치는 또한 당 업계에 잘 알려져 있고, 상기에 인용된 참고 문헌에 한정되지 않는다. 여기서 언급된 참고 문헌에 설명되고 당 업계에 알려진 이들 방법 및 전극 세트 장치들 중 어느 것은 DLPFC에서 신경 활동을 감지/기록하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, Tian Ming Fu et al. (Nature methods, 2016)에 공개된 것과 같은 주입 가능한 플렉서블 메쉬 전극(injectable flexible mesh electrodes)은 DLPFC 내에 그러한 메쉬 전자 장치의 주입에 의해 이용될 수 있다. 다른 방법은 덜 침습적인 평면 블렉서블 표면 전극 어레이(less invasive flat flexible surface electrode arrays)를 이용할 수 있다. 다른 시스템 및 방법은 상기에서 개시된 것처럼 스텐트 전극 어레이(스텐트로드(stentrodes))를 이용할 수 있다.
이제 본 출원의 시스템의 일부 실시예에 따른, 사용자의 두개골 내에 배치된, 사용자의 인지 수행 향상시키거나 강화시키거나 증가시키기 위한 두개내 시스템(intracranial system)을 도시하는 개략도인 도 6을 참조한다. 시스템(60)은 사용자의 머리(61) 내 두개 내측에 배치된 것으로 도시된다. 두개골의 일부는 좌측 피질 반구(65L) 및 우측 피질 반구(65R)를 포함하는 피질(65)을 개략적으로 도시하는 사용자의 뇌(62)를 나타내기 위해 개략적인 도면에서 투명하게 만들어진다. 선조체(striatum, corpus striatum, 63)는 선조체가 피질(65) 아래 놓인 피질하 뇌 영역(뇌심부 구조)인 것을 나타내기 위해 파선으로 개략적으로 도시된다. 시스템(60)은 전자 회로 모듈(67), 통신 라인(75C)에 의해 전자 회로 모듈(67)에 적절하게 전기적으로 연결된 감지 전극 세트(72C), 그리고 통신 라인(77C)에 의해 전자 회로 모듈(67)에 적절하게 전기적으로 연결된 자극 전극 세트(72D)를 포함한다.
시스템(60)의 구성 요소는 개두술(craniotomy)(수동 개두술 기법(manual craniotomy methods), 정위 개두술 기법(stereotactic craniotomy methods), 자동 로봇 정위 개두술(automatic robotic stereotactic craniotomy) 또는 당 업계에 알려진 적절한 개두술 기법의 어떠한 유형을 포함하지만 이에 한정되지 않음) 수행에 의해 두개골에 형성된 접근 개구(개구는 도시의 명확성을 위해 나타내지 않음)를 통해 뇌(62) 위의 두개내 공간에 삽입될 수 있다. 두개내 공간 내 시스템(60)의 구성 요소의 삽입 후, 당 업계에 알려진 것처럼 두개골의 개구가 밀봉될 수 있다.
감지 전극 시트(72C)는 Ecog를 기록 및/또는 감지하기 위해 채택된 얇은 플렉서블 표면 전극 어레이일 수 있다(그리고 피질 표면을 통해 접촉하는 경막 아래 또는 경막외(epidurally)에 배치될 수 있다). 감지 전극 세트(72C)는 좌측 피질 반구(65L)의 DLPFC로부터 또는 우측 피질 반구(65R)의 DLPFC로부터 또는 우측 피질 반구(65R) 및 좌측 피질 반구(65L) 모두의 DLPFC로부터 Ecog를 기록 및/또는 감지하기 위해 이용될 수 있다(특히, 감지 전극 세트(72C)의 위치 및 총 면적에 따라).
Ecog 전극 어레이를 이용한 Ecog 신호의 감지는 표준 Ecog 감지 방법을 이용하여 수행될 수 있다는 점을 주목해야 한다. 예를 들어, 어레이의 전극 중 하나는 기준 전극으로 이용될 수 있다. 대안으로, 두개골을 향한 전극은 기준 전극으로 이용될 수 있다. 대안으로, 임플란트(implant)의 특정 전극이 기준 전극으로 쓰일 수 있다.
시스템(60)의 일부 실시예에 따르면, 감지 전극 세트(72C)는 하나(좌측이거나 우측)의 DLPFC로부터 또는 DLPFC의 부분 또는 일부로부터 Ecog를 감지 및/또는 기록하기 위해 이용될 수 있다. 시스템(60)의 일부 실시예에 따르면, 감지 전극 세트(72C)는 좌측 DLPFC 및 우측 DLPFC 모두로부터(또는 좌측 DLPFC 및 우측 DLPFC 각각의 부분 또는 일부로부터) Ecog를 기록 및/또는 감지하기 위해 이용될 수 있다.
시스템(60)의 일부 실시예에 따르면, 감지 전극 세트(72C)는 우측 및/또는 좌측 DLPFC로부터 뿐만 아니라 DLPFC 이외의 하나 또는 여러 피질 영역으로부터 Ecog를 기록 및/또는 감지하기에 충분할 수 있다(일차 시각 피질(primary visual cortex), 시각 피질의 다른 영역, 체감각 피질(somatosensory cortex), 청각 피질(auditory cortex), 운동 피질(motor cortex), 브로드만 영역(Brodmann area, BA) 17(대략 일차 시각 피질에 대응 -V1), BA 18(대략 이차 시각 피질에 대응 -V2), BA 19(대략 연관 시각 피질에 대응 -V3, V4 및 V5), BA 7(시각 운동성 조정 영역), BA6(전운동 피질 및 추가 운동 피질 영역), BA5(체성 감각 관련 피질) 및 BA4(일차 운동 피질)을 포함하나 이에 한정되지 않음).
바람직하게는, 감지 전극 세트(72C)는 각각 수백 내지 수천개의 감지 전극을 가지는 중간 내지 고 해상 다중 전극 어레이일 수 있으나, 전극 수가 적은 전극 세트/어레이(BCI 당 50-150개의 전극) 또한 사용될 수 있다. 통신 라인(75C)은 그 안에 감지 전극 세트(72C)의 각 전극을 전자 회로 모듈(67)에 연결하는 다수의 전기적으로 절연된 전기 도선(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 그러나, 전극 다중화 기법(electrode multiplexing method)은 또한 당업계에 알려진 것처럼, 통신 라인(75C) 내 요구되는 전선의 수를 줄이기 위하여, 동일한 전기 도선을 통해 다중 전극이 주기적으로 샘플링되도록 시스템의 일부 실시예에서 이용될 수 있다.
자극 전극 세트(72D)는 뇌심부 구조 내에 이식될 수 있는 임의 유형의 자극 전극 세트일 수 있다. 예를 들어, 도 6의 시스템(60)의 자극 전극 세트(72D)는 전기 전도성 전극의 가늘고 얇은 플렉서블 번들일 수 있다(예를 들어, 전극 번들의 팁(tip)에서 엇갈린 배열로 배치된 노출된 전기 전도성 팁을 가진 몇몇 전기적으로 절연된 텅스텐 전극과 같은). 번들 내 각각의 전극(도시되지 않음)은 통신 라인(77D)을 통과하는 단일 절연 전기 도선에 의해 전자 회로 모듈(67)에 적절하게 전기적으로 연결될 수 있다. 자극 전극 세트(72D)의 팁은 당업계에 알려진 것처럼, 선조체(63)의 영역(또는 영역들) 내에 외과적으로 이식될 수 있다(미상핵(caudate nucleus), 조가비핵(putamen), 등측 선조체(dorsal striatum), 복측 선조체(ventral striatum), 또는 그 임의의 결합과 같은, 이에 한정되지 않음). 자극 전극 세트(72D)의 이식에 이용될 수 있는 방법은 수동 또는 반수동 정위 전극 이식 기법(manual or semi-manual stereotactic electrode implantation methods), 자동 로봇 정위 전극 이식 기법(automatic robotic stereotactic electrode implantation methods), 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 유형의 적절한 전극 기법을 포함할 수 있으나, 제한되지 않는다.
그러나, 자극 전극 세트(72D)(뿐만 아니라 감지 전극 세트(72C))가 서로 다른 유형의 전극 세트로서 구현될 수 있다는 점을 주목해야 한다. 예를 들어, 본 출원의 시스템의 일부 실시예에 따르면, 전극 세트(72C 및/또는 72D)는 아래의 참조에서 Lieber et al.에 의해 상세하게 개시된 플렉서블 주입 가능 메쉬 전극 어레이(flexible injectable mesh electrode array)일 수 있다.
1. Chong Xie, Jia Liu, Tian-Ming Fu, Xiaochuan Dai, Wei Zhou & Charles M. Lieber., "Three-dimensional macroporous nanoelectronic networks as minimally invasive brain probes.", Nature Materials, Vol. 14, December 2015, Pp. 1286-1292.
2. Guosong Hong, Tian-Ming Fu, Tao Zhou, Thomas G. Schuhmann, Jinlin Huang, & Charles M. Lieber. "Syringe Injectable Electronics: Precise Targeted Delivery with Quantitative Input/Output Connectivity", Nano Letters, Vol. 15, August 2015, Pp. 6979-6984. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02987., and
3. Jia Liu, Tian-Ming Fu, Zengguang Cheng, Guosong Hong, Tao Zhou, Lihua Jin, Madhavi Duvvuri, Zhe Jiang, Peter Kruskal, Chong Xie, Zhigang Suo, Ying Fang & Charles M. Lieber. "Syringe-injectable electronics.", Nature Nanotechnology, Vol. 10, July 2015, Pp. 629-636. DOI: 10.1038/NNANO.2015.115.
일부 실시예에 따르면, 자극 전극 세트(72D)는 상기 Oxley et al.(Nature biotechnology, Vol. 34, No. 3, February 2016)에 의해 상세하게 개시된 것처럼, 선조체(63) 내 맥관 구조의 일부인 혈관 내에 삽입된 스텐트로드 어레이 또는 스텐트로드일 수 있다. 이러한 케이스에서, 통신 라인(77D)은 전자 회로 모듈(67) 및 자극 전극 세트(72D)에 적절하게 연결된 적절한(바람직하게는 초음파) 무선 송수신기로 대체될 수 있다(송수신기는 도 6에 도시되어 있지 않으나, 상세한 것은 도 4를 참조한다).
전자 회로 모듈(67)은 상기 도 3에 상세하게 개시된 것처럼 프로세서/컨트롤러(14)에 연결될 수 있는 (도 3의) 메모리/데이터 저장소(16) 및 (도 3의) 프로세서/컨트롤러(14)를 포함할 수 있다. 전자 회로 모듈(67)은 두개내에 이식되기 때문에, 전원을 포함할 수 있다(도시의 명확성을 위해 도 6에 상세히 나타내지 않음). 전자 회로 모듈(67)에 포함된 전원은 당업계에 알려진 어떠한 적절한 소형 전원일 수 있다. 그러나, 바람직하게는(그러나 필수적이지 않음), 전원은 사용자의 신체 상에 또는 외부에 배치된 전력 전송 장치(도시되지 않음)로부터 전송된 전력을 저장하고 수신할 수 있는 무선 전력 하베스팅 장치일 수 있다.
이러한 무선 전력 전송 및 수신 시스템은 당업계에 잘 알려지 있으며, 본 출원의 대상이 아니며, 따라서 이하에서 상세하게 개시되지 않는다. 간단히 말해, 이러한 시스템은 적절한 전류 정류 회로 및 전기 저장 장치(캐패시터, 수퍼 캐패시터, 재충전이 가능한 전기 화학 셀 등)에 결합된 압전 재료 기반 수신기를 포함할 수 있다. 이러한 전력 수신기는 신체 외부의 초음파 송신기로부터 전송된 초음파 에너지를 하베스팅하고, 초음파 에너지를 전류로 변환하고, 상기 설명된 전기 에너지 저장 장치에 전기 에너지를 저장할 수 있다. 다른 예에서, 상기에서 개시된 것처럼 전기 에너지 저장 장치에 공급하는 전류 정류 회로에 결합된 하베스팅 전기 전도 코일을 포함하는 전자기 복사 기반 시스템을 포함할 수 있다. 외부 송신기는 유도(induction)에 의해 수신기 코일에 에너지를 공급하는데 필요한 전자기 복사를 전송하는(일반적으로, 사용자의 신체 외부에 있는 다른 코일을 통해) 전자기 복사 생성기이다.
동작시, 감지 전극 세트(72C)는 DLPFC(좌측 DFPLC 또는 우측 DFPLC 또는 좌우측 DFPLC) 내에 뉴런의 전기적 활동과 연관된 전기적 활동을 감지한다. 감지 전극 세트(72C)가 Ecog 전극 어레이이면, 감지된 전기적 활동은 Ecog일 수 있다. 감지 전극 세트(72C)가 유타(Utah) 어레이 타입 전극 어레이 또는 메쉬(mesh) 타입 전극 어레이 이면, 감지된 전기적 활동은 개별 뉴런으로부터 세포 외에서 감지된 영역 전위(field potential) 또는 다중 뉴런으로부터 합쳐진(중첩된) 세포 외에서 기록된 활동 전위로부터 야기된 전계 전위뿐만 아니라 세포 외에서 감지된 전기적 활동(뉴런 축색 돌기(neuronal axons), 수상 돌기(dendrites) 및 체세포(soma)로부터)을 포함할 수 있다. 감지된 신호는 전자 회로 모듈(67)에 공급된다.
전자 회로 모듈(67)은 인지 과제(cognitive task)(예를 들어, 본 출원에서 상세히 개시된 것처럼 주의 집중 및/또는 지속적 주의를 요구하는 작업, 및/또는 학습, 및/또는 작업 메모리(WM)의 활성, 및/또는 다른 복합 인지 과제)의 수행과 연관된 전기적 활동의 특정 시공간 패턴을 검출하기 위하여 감지 전극 세트(72C)에 의해 감지된 전기적 신호를 처리할 수 있다. 이러한 특정 시공간 전기적 활동 패턴은 그러한 인지 과제의 실제 수행에 선행할 수 있고 및/또는 인지 과제를 수행하기 위한 사용자의 주의 또는 사용자에 대한 그러한 인지 과제의 제시와 연관될 수 있다.
이러한 특정 패턴이 시스템(60)에 의해 검출되면, 전자 회로 모듈(67)은 자극 전극 세트(72D)의 전극을 통해 선조체(63)에 적절히 자극하는 전기 전류 펄스를 공급함으로써 선조체(63) 또는 선조체(63)의 하나 또는 몇 개 부분에 자극을 전달한다. 선조체(63)에 전달된 자극은 인지 과제의 수행에 연관된 전기적 활동의 특정 시공간 패턴의 검출 시간에 대해 정확하게 타이밍 될 수 있다.
검출된 패턴에 대응하는 선조체(63)의 자극은 새로운 인지 과제 학습을 처리하는 동안 강화되는 관련 뉴런 사이의 연결을 강화시킬 수 있는 도파민(dopamine)을 방출하는 심층 뇌 구조 및 VTA의 타이밍이 맞춰진 활성화를 초래한다. 이러한 타이밍이 맞춰진 자극은 주의 집중 및 주의 지속의 향상(개선)을 야기할 수 있고, 학습률 및 기억 수행을 향상(또는 개선)시킨다.
이제 본 출원의 시스템의 일부 실시예에 따라, 사용자의 두개골 내에 배치된 몇몇 시스템 구성 요소 및 사용자의 두개골 외부에 배치된 시스템의 몇몇 다른 구성 요소를 가지는 사용자의 인지 수행을 향상 또는 강화 또는 개선시키기 위한 시스템을 도시한 개략도인 도 7을 참조한다.
시스템(80)은 도 6과 관련하여 상기에서 상세히 개시된 바와 같이 구성되고 동작될 수 있는 자극 전극 세트(72D) 및 감지 전극 세트(72C)를 포함할 수 있다. 그러나, 시스템(60)과 대조적으로, 시스템(80)의 통신 라인(77C) 및 통신 라인(75C)은 두개 외 통신 케이블(84) 내에서 두개골 외부를 통과하기 위해 적절한 두개 커넥터(82)를 통과하고 커넥터(82)의 개구를 통해 빠져 나온다. 두개 외 통신 케이블(84)은 두개 외 전자 모듈(87)까지 연장된다. 두개 외 전자 모듈(87)은 적절한 프로세서/컨트롤러, 메모리 및 데이터 저장 유닛, (선택적) 무선 송신기 및/또는 무선 수신기 및/또는 무선 송수신기, 그리고 전자 모듈(87)의 하우징(87A) 내에 배치될 수 있는 모든 포함된 회로에 에너지를 공급하기 위한 적절한 전원을 포함할 수 있다. 프로세서/컨트롤러, 메모리/데이터 저장소, 임의의 송신기, 수신기 및/또는 송수신기 그리고 하우징(87A)에 포함될 수 있는 전원은 도시의 명확성을 위해 도 7에 상세히 나타내지 않으나, 상기에서 상세히 개시된 전원(3) 및 송신기/송수신기(TX1-TX5) 및 메모리/데이터 저장소(16), 프로세서/컨트롤러(67)과 유사할 수 있다.
전자 모듈(87)은 일부 구성 요소가 두개내 이식에 너무 크거나 다루기 힘들 수 있는 경우에 편리할 수 있다. 전자 모듈(87)은 또한 상대적으로 큰 전원이 전자 모듈 내에 포함되도록 할 수 있다(교체 가능한 일차 전기 화학 셀, 재충전 가능한 (이차) 전기 화학 셀, 또는 임의의 다른 적절한 전원과 같은).
전자 모듈(87)은 일부 구성 요소가 두개내 이식에 너무 크거나 다루기 힘들 수 있는 경우에 편리할 수 있다. 전자 모듈(87)은 또한 상대적으로 큰 전원이 전자 모듈 내에 포함되도록 할 수 있다(교체 가능한 일차 전기 화학 셀, 재충전 가능한 (이차) 전기 화학 셀, 또는 임의의 다른 적절한 전원과 같은).
전자 모듈(87)의 하우징(87A)이 소형 보청기와 유사한 형상을 가지고 가시성을 최소화하기 위해 귀(69) 뒤에 착용될 수 있지만, 이는 의무적인 것이 아니고 사용자가 착용한 옷에 부착되거나 다른 신체 일부에 부착되어 사용자에 의해 운반될 수 있는 하우징(87A)의 다른 타입 및 형상이 이용될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 예를 들어, 전자 모듈의 하우징은 사용자가 착용하는 적합한 헤드 밴드에 부착되거나 사용자에 의해 착용되는 안경과 같은 형상일 수 있다.
전자 모듈(87)의 하우징(87A)이 소형 보청기와 유사한 형상을 가지고 가시성을 최소화하기 위해 귀(69) 뒤에 착용될 수 있지만, 이는 의무적인 것이 아니고 사용자가 착용한 옷에 부착되거나 다른 신체 일부에 부착되어 사용자에 의해 운반될 수 있는 하우징(87A)의 다른 타입 및 형상이 이용될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 예를 들어, 전자 모듈의 하우징은 사용자가 착용하는 적합한 헤드 밴드에 부착되거나 사용자에 의해 착용되는 안경과 같은 형상일 수 있다.
일반적으로, 훈련 방법은 본 출원에 개시된 임의의 지능 강화 시스템의 이식/설치 후 정상인 또는 환자에게 수행될 수 있다. 프로세서/컨트롤러(14) 상에서 동작하는 소프트웨어 프로그램은 임의의 적합한 사용자 인터페이스를 이용함으로써(예를 들어, 도 2에 관해 상기에서 개시된 것처럼 시각 피질의 하나 이상의 영역의 직접 자극에 의해 사용자에게 제공되는 "가상" 그래픽 사용자 인터페이스에 의해 또는 프로세서/컨트롤러(14)와 통신하는 시스템의 외부에 있는 임의 타입의 컴퓨터의 임의 유형의 GUI에 의해) 활성화/시작될 수 있는 서브루틴(subroutine) 또는 훈련 모듈을 포함한다.
훈련 방법의 동작에서, 시스템은 사용자에게 인지 과제를 제공한다(단계 100). 인지 과제는 예를 들어, 상기에서 상세히 개시된 것처럼 학습 작업, 기억 작업, 시각 또는 청각 식별과 연관된 작업, 또는 임의의 다른 적합한 타입의 인지 과제와 같은 사용자 주의 집중을 요구하는 임의의 적합한 인지 과제일 수 있다. 작업의 제시 이전, 도중 및 이후에, 시스템은 사용자의 하나 이상의 피질 영역으로부터(예를 들어, 전두엽 피질(prefrontal cortex, PFC), PFC의 일부, 배외측전 전두엽 피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC), DLPFC의 일부, 두정엽 피질(temporoparietal cortex, TPC), TPC의 일부, 하전두이랑(inferior frontal gyrus,IFG), IFG의 일부, 측두 두정 연접부(temporal parietal junction, TPJ), TPJ의 일부, 정소엽(parietal lobule) 및 이들 영역의 임의 결합 중 하나 이상으로부터) 사용자에게 제시된 인지 과제의 제시와 관련한 뉴런 활동과 연관된 신호를 기록할 수 있다(단계 102). 단계 102에서, 시스템은 또한 인지 과제가 없을 때 배경 뉴런 활동의 특성을 연구하기 위하여 작업의 제시 전에 뉴런 활동과 연관된 신호를 기록할 수 있다.
시스템은 훈련 세션에서 사용자에게 제시된 인지 과제의 수가 N이면 검사할 수 있고(단계 104), 여기서 N은 사용자 세트, 또는 의사 세트, 또는 미리 프로그래밍된 양의 정수일 수 있다. 사용자에게 제시된 인지 과제의 수가 N이 아니면, 시스템은 사용자에게 다음 인지 과제를 제시하기 위해 제어를 단계 100으로 되돌린다. 사용자에게 제시된 인지 과제의 수가 N이면, 시스템은 인지 과제의 제시를 종결하고 모든 N개의 작업 제시에 대해 기록된 신호를 처리한다(단계 106). 단계 106에서, 시스템은 인지 과제의 실제 수행 및/또는 인지 과제의 제시에 관련한 뉴런 활동 패턴을 제시하는 템플릿 및/ 또는 인지 과제를 수행하기 위해 사용자의 의도에 연관된 뉴런 활동 패턴을 제시하는 템플릿(template)을 계산하거나 결정할 수 있다.
유사한(그러나 반드시 동일하지 않은) 인지 과제의 N번 반복 사용은 사용자의 주의 지속 시간을 향상시키거나 주의 집중을 필요로 하는 인지 과제가 사용자에게 제시되면, 식별을 위한 지시로서 시스템에 의해 이용될 수 있는 다중 기록 신호에 기초하여 일반적인 템플릿 또는 지시(결정 기준)를 추출할 수 있게 한다.
많은 컴퓨터 기법 및 알고리즘은 실험 동물 또는 인간 환자 또는 시험된 인간 대상에게 제시된 인지 이벤트 이전 도중 및 이후에 기록된 뉴런 활동과 연관된 신호로부터 전형적인 템플릿를 추출하는 것으로 알려져 있음에 주목해야 한다. 이러한 기법은 예를 들어, 커널 분석(kernel analysis), 주성분 분석(principal component analysis), 스펙트럴 분석 방법(spectral analysis methods, 특히 Ecog 타입 신호 분석에 유용), 통상 공간 패턴 기법(common spatial patterns method, CSP), 분석 CSP(Analytic CSP, ACSP), 시간 영역 분석 기법(time domain analytic methods), 패턴 분류를 감독하는 주파수 영역 분석 기법(Frequency Domain analytic methods supervised pattern classification), 클러스터 탐색 기법(cluster seeking methods), 우도 함수 및 통계 결정(likelihood functions and statistical decision), 그리고 임의의 다른 적합한 패턴 결정 기법/알고리즘을 포함할 수 있다.
예를 들어, 이러한 템플릿 패턴 검출은 여기서 언급된 참고 문헌에 설명된 것처럼 수행될 수 있다.
단계 106에서 결정된 전형적 또는 대표적 패턴 또는 템플릿 또는 표지 또는 결정 기준은 지능 보강 또는 지능 증진을 달성하기 위해 시스템에 의해 뇌심부 구조에 자극을 전달할 필요가 있는 이벤트의 식별에 있어 나중에 사용하기 위해 시스템의 메모리/데이터 저장소(16)에 저장될 수 있다.
이제 도 9를 참조하면, 도 9는 본 발명의 발명의 일부 실시예에 따라 사용자의 인지(cognitive) 능력(performance)을 향상시키거나(improving) 강화하거나(enhancing) 증가시키기(augmenting) 위한 방법의 단계를 도시하는 순서도이다. 상기 방법은 지능을 강화하거나 및/또는 증가시키고, 정상 사용자의 인지 능력을 향상시키거나 증가시키고, 심리학적 및/또는 및/또는 신경 심리학적 및/또는 신경학적 장애(disorders)로 인한 인지 손상(impairment)를 겪는 환자의 인지 능력을 향상시키는데 사용될 수 있다.
상기 방법은 상기 개시된 시스템 중 임의의 것을 사용하여 수행될 수 있다. 상기 시스템은 사용자 또는 환자의 하나 이상의 피질 영역(corical regions) (예를 들어, 전액골 피질(prefrontal cortex, PFC) 중 하나 이상, PFC의 일부, 전측두엽 전액골 피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC), DLPFC의 일부, 측두두정 피질(temporoparietal cortex, TPC), TPC의 일부, 전두엽(inferior frontal gyrus, IFG), IFG의 일부), 측두 두정 연접부(temporal parietal junction, TPJ), TPJ의 일부 및 이들 피질 영역의 조합에서 신경 활동과 관련된 신호를 감지한다(단계 108). 감지는 예를 들어 PFC로부터 기록하는 전극 세트(들) (예를 들어, 전극 세트(들)(12C) 또는 자극(stimulating) 전극 세트(들)(12A, 도 2 및 도 3 각각의)로부터 수신된 신호를 연속적으로 디지털화함으로써 실시간 또는 준 실시간으로 수행될 수 있다.
상기 시스템은 인지 작업(task)를 수행하기 위한 사용자의 의도의 표시 및/또는 사용자에 의한 인지 작업(task)의 수행과 관련된 뉴런 활동 패턴을 검출하기 위해 감지된 신호를 처리한다(단계 110). 신경 활동 패턴을 검출하기 위한 많은 유형의 방법 및/또는 알고리즘이 감지된 신호를 처리하는 단계에서 사용될 수 있다. 예시적인 검출 방법은 커널 분석, 주성분 분석, 스펙트럼 전력 분석 방법(특히, Ecog(피질뇌파검사) 유형 신호의 분석에 유용한), 위상 지연 분석, 공통 공간 패턴 방법(CSP), 분석 CSP(ACSP), 시간 영역 분석 방법, 주파수 영역 분석 방법, 감독 패턴 분류, 클러스터 탐색 방법, 우도(likelihood) 탐색 방법, 우도 함수 및 통계적 결정, 및 임의의 다른 적절한 패턴 검출 방법/알고리즘을 포함할 수 있다.
단계(110)의 검출을 위해, 패턴 검출 방법은 도 8의 방법에 대해 상술한 바와 같이 사용자에 의해 수행된 하나 이상의 트레이닝 세션(training session)에서 얻어진 특정 패턴(템플릿) 또는 지시 또는 결정 기준(criterion)을 사용할 수 있다. 이러한 시스템 트레이닝 세션들로부터 야기된 템플릿(들) 또는 표시 또는 결정 기준은 시스템의 메모리/데이터 저장 장치(예를 들어, 메모리/데이터 저장 장치(16)와 같은)에 저장될 수 있다. 검출은 패턴 인식을 위한 임의의 적절한 방법에 의해 또는 측정 또는 계산된 파라미터 값과 경험적으로 결정된 파라미터 임계값의 비교를 수행함으로써 수행될 수 있다. 검출 방법은 디지털 또는 아날로그 템플릿 매칭 방법, 또는 결정 기준(예를 들어, 임계값과 같은)의 값을 그 중에서도 특히 프로세서/컨트롤러(14)에 포함된 회로 유형(디지털, 아날로그 또는 하이브리드/디지털/아날로그 회로), 프로세서/컨트롤러(14)에 이용 가능한 계산 속도(계산적 능력) 및 다른 고려사항에 의존하여 결정된 계산된 파라미터의 현재 값과 비교하는 계산을 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다.
인지 작업을 수행하려는 의도와 관련된 및/또는 인지 작업의 실제 수행과 관련된 신경 활동 패턴의 검출에 응답하여, 시스템은 사용자의 인지 능력을 증가하거나 강화하거나 향상시키기 위하여 사용자의 하나 이상의 타겟 뇌 영역을 자극한다. 타겟 뇌 영역은 하나 이상의 뇌심부(deep brain) 구조 또는 하나 이상의 피질 영역 또는 하나 이상의 뇌심부 구조와 하나 이상의 피질 영역의 조합을 포함할 수 있다.
단계(112)에서 자극이 전달되는 뇌심부 구조는 사용자의 선조체(corpus striatum)일 수 있으며, 자극은 (이식된 자극 전극(들)을 사용하는 경우 또는 자극을 위해 스텐트로드(stentrode)를 사용하는 경우 근처(near)) VTA 또는 선조체(및/또는 시스템에 의해 자극된 임의의 다른 뇌심부 구조)에 이식된 전극들에 의해 전달될 수 있다. 이러한 자극 전극들의 예는 도 3의 감지 전극 세트(들)(12C), 도 4의 자극 전극 세트(들)(12D), 도 5의 자극 전극 세트(들)(12A), 도 6 내지 7의 전극 세트(72D) 또는 뇌심부 구조 및/또는 피질 영역을 자극할 수 있는 다른 적절한 전극 세트(들)을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
뇌심부 구조의 자극은 자극되는 뇌심부 구조(들)에 적절한 전류 펄스를 전달함으로써 수행되는 전기적 자극이 적절할 수 있다. 그러나 예를 들어, 광자 자극(광 발생 방법 사용), 머리뼈경유의(transcranial) 주파수 간섭 자극(TFI) 방법(전술한 Nir Grossman 등의 논문에 개시됨) 또는 두개 내(intracranial) 주파수 간섭 자극(IFI) 또는 뇌심부 구조에 적용될 수 있는 적절한 신경 조직 자극 방법의 다른 유형을 포함할 수 있다. 피질 영역의 자극(자극을 받는 경우)은 감지 전극(Ecog 어레이 또는 Utah 어레이의 감지 전극 또는 피질 영역의 감지에 사용되는 다른 유형의 전극 세트(들)을 사용하여 수행될 수 있다.
상기 방법에서, 감지(단계 108) 및 처리(단계110)는 연속적으로 수행될 수 있으며, 연속 감지를 갖는 방법의 그러한 실시예들은 자극 인공물(artifacts)이 고역 통과 필터링, 저역 통과 필터링 또는 대역 통과 필터링과 같은 적절한 신호 조절 방법 또는 결정될 수 있는 디지털화된 감지된 신호의 처리 중에 수행되는 적절한 계산 방법(사용자의 휴식 상태에서 사용자의 타겟 뇌 영역에 전달되는 실제 자극을 사용하고 테스트 또는 시스템 트레이닝 세션에 의해 각각의 개인 사용자를 위해 결정될 수 있는 경험적으로 결정된 자극 인공물 파라미터의 사용을 하는 계산 방법)에 의해 충분히 감쇠될 수 있는 시스템에서 사용될 수 있다.
상기 방법의 일부 실시예에 따라, 자극 단계(단계 112)는 인지 작업을 수행하려는 의도 및/또는 이러한 인지 작업의 수행과 관련된 뉴련 활동 패턴 또는 표시를 검출하는 것에 응답하여 자동적으로 수행될 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법의 일부 실시예에서, 감지는 연속적으로 수행되거나 수행되지 않지만, 이러한 실시예에서 감지된 신호를 간섭하는 자극 인공물을 피하기 위해 타겟 뇌 영역의 자극 동안 정지된다. 타겟 뇌 영역의 자극이 종료된 후에도 감지가 계속된다.
상기 방법의 다른 실시예에 따르면, 자극 단계(단계112）는 사용자가 자발적으로 자극 단계(단계112)를 사용 불가능하게 하거나 가능하게 할 수 있도록 사용자의 제어 하에 있을 수 있다. 예를 들어, 시스템의 사용자가 인지 작업을 수행할 필요가 있는 상황에 이르면, 사용자는 그의/그녀의 인지 능력을 강화하기 위해 자극 단계(단계112)를 가능하게 할 수 있다. 사용자가 (예를 들어, 휴식, 수면, 운동 또는 다른 활동들과 같은) 강화된 인지 능력을 필요로 하지 않는 기간에 있는 경우, 사용자는 자극 단계를 비활성화할 수 있다(disable). 이러한 자극 단계의 비활성화(disabling) 또는 활성화(enabling)는 임의의 사용자 인터페이스를 사용함으로써 수행될 수 있으며, 또한 도 2 및 도 5의 시스템과 관련하여 상술한 사용자 인터페이스의 인지된 가상 이미지를 사용함으로써 사용자에 의해 자발적으로 수행될 수 있다.
유사하게, 인지 장애 또는 기능 장애(dysfunction) (예를 들어, ADD 환자와 같은)를 치료하기 위해 시스템이 설치된 환자에서, 의사 또는 다른 간병인은 상기 방법의 자극 단계를 필요할 때(도 8과 관련하여 상술한 바와 같이 시스템 및 사용자와의 트레이닝 세션을 수행하는 경우와 같은) 비활성화(그리고 활성화)할 수 있다. 이러한 유형의 자극의 비활성화/활성화는 예를 들어 시스템의 컨트롤러/프로세서 14와 통신하는 외부 컴퓨터 상에 디스플레이된 적절한 GUI를 사용함으로써 수행될 수 있다.
이제 본 출원의 방법의 일부 실시예에 따라 단일 감지 및 자극 전극 세트를 갖는 인지 능력을 향상시키거나 또는 강화시키거나 또는 개선하기 위한 시스템을 도시하는 계략적인 블록도인 도 10을 참조한다.
시스템(120)은 도 1의 시스템(10)과 관련하여 상술한 바와 같이 상호 연결된 프로세서/컨트롤러(들)(14), 전원(power source) (3), 메모리/데이터 저장 장치(16)를 포함한다. 시스템(120)은 또한 DLPFC39에서 감지 전기적 활동(sensing electrical activity)과 DLPFC39를 자극하는 것 모두에서 사용될 수 있는 감지 및 자극 전극 세트(12E)를 포함한다. 감지 및 자극 전극 세트(12E)는 DLPFC의 표면 상에 배치된 단일 이식 가능한 Ecog 전극 어레이로서 구현될 수 있다. DLPFC 39에서의 감지는 Ecog 어레이의 분야에서 잘 알려진 표준 감지 및/또는 기록 방법을 사용하여 수행된다. DLPFC 39의 자극은 Ecog 전극 어레이의 다중 전극 중 하나 이상의 전극 쌍을 통해 자극 전류 또는 펄스 열(pulse trains)을 전달함으로써 수행될 수 있다. Ecog 어레이의 전극(예를 들어, 자극 생성 회로, 전극 다중화 회로, 타이밍 회로 및 임의의 다른 회로)에 자극 전류를 전달하는데 필요한 전자/전기 회로는 도면의 명확화를 위해 상세히 도시하지 않았고 프로세서/컨트롤러(들)(14)의 제어 회로에 포함된다.
시스템(120)이 사용자의 인지 능력을 보강 및/또는 강화 및/또는 향상하기 위해 사용될 때, 전극 세트(12E)는 DLPFC에서 전기적 활동을 감지하고, 본 출원에 개시된 방법들 중 임의의 방법(예를 들어, 도 8, 9, 16 및 17에 도시된 방법들과 같은)에 개시된 데이터를 처리하고, 프로세서/컨트롤러(14) 상에서 동작하는 적절한 소프트웨어에 의해 감지된 신호를 처리하여 사용자가 인지 작업을 수행하기 위한 사용자의 의도 또는 인지 작업을 제시받았음을 나타내는 표시(표지, indication)를 검출할 수 있다. 표시는 본 출원에서 개시된 임의의 유형의 계산 가능한 표시 및/또는 신경활동 패턴일 수 있다. 만약 표시가 검출된다면, 프로세서/컨트롤러(들)(14)은 사용자의 인지 능력을 증가 및/또는 강화 및/또는 향상시키기 위해 전극 세트(12E)를 통해 DLPFC(또는 DLPFC의 일부(들))에 전기 자극을 전달함으로써 DLFPC를 자극할 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서/컨트롤러(등)은 (선택적으로) DLPFC의 자극의 시간 동안 감지를 중단할 수 있고, 자극 기간이 완료된 후에 감지를 갱신할 수 있다.
이제 2개의 피질 영역에서 감지하고 본 출원의 시스템의 일부 실시예에 따른 하나 이상의 피질 영역 또는 하나 이상의 뇌심부 구조 또는 피질 영역의 조합 및 하나 이상의 뇌심부 구조를 자극하기 위한 감지 자극 전극 세트(들)을 갖는 인지 능력을 향상시키거나 또는 강화하거나 또는 향상시키기 위한 시스템을 도시한 개략적인 블록도인 도 11을 참조한다.
시스템 130은 감지/자극 전극 세트(12F)가 전액골 피질(PFC) 및 측두피질(TPC) 상에 배치된다는 점을 제외하고 도 10의 시스템(120)과 유사하다. 전극 세트(12F)는 PFC 상에 배치된 제1 Ecog 전극 어레이와 TPC 상에 배치된 제2 Ecog 전극 어레이로 구현될 수 있다. 제1 Ecog 전극 어레이는 PFC의 감지 및 자극을 위해 사용될 수 있고, 제2 Ecog 전극 어레이는 TPC 감지 및 자극을 위해 사용될 수 있다.
대안적으로, 전극 세트(12F)는 PFC와 TPC 모두에서 감지 및 자극 가능하고 PFC와 TPC 모두 상에 배치되는 단일 Ecog 전극 어레이로서 구현될 수 있다. 동작 시, 시스템(130)은 (예를 들어, 도 8, 9 및 16 내지 19에서 개시된 방법 중 임의의 것과 같이) 여기에 개시된 임의의 방법들에 따라 동작될 수 있다. 감지는 PFC 및 TPC에서 모두 수행될 수 있다. 자극은 PFC 또는 TPC 중 하나에서 수행될 수 있지만, PFC 및 TPC 모두에서 수행되어 사용될 수 있어, 그 결과 사용자의 인지 능력을 강화하거나 및/또는 증가하거나 및/또는 향상시킨다.
본 출원의 시스템에 의해 사용된 자극 방법은 피질 영역(예를 들어, 유타 어레이(Utah arrays)에 이식된 전극들 또는 전극 세트(들)를 자극하는 것에 국한되지 않고, 경막 하 또는 경막 외 이식된 Ecog 전극 배열의 전극에 의해 또는 자극된 뇌심부 구조의 내부 또는 근방에서 이식된 DBS 전극들 또는 전극 배열들을 사용함으로써 뇌심부 구조를 자극하는 것일 수 있다. 오히려, 이후에 상세하게 개시된 바와 같이 다른 자극 방법이 또한 사용될 수 있다.
이제 도 12 내지 13을 참조한다. 도 12는 인지 능력을 증가하거나 또는 강화하거나 또는 향상시키기 위한 시스템을 도시한 개략적인 블록도이며, 본 출원의 시스템의 일부 실시예에 따라 뇌심부 구조의 머리뼈경유의 주파수 간섭 자극 및 하나 이상의 피질 영역을 감지 및 자극하기 위한 두개 내에 이식된 Ecog 전극 어레이를 수행하기 위한 일련의 비침습성 전극을 포함한다. 도 13은 도 12의 시스템의 두 개 내 부분의 기능적 구성 요소를 도시하는 개략적인 블록도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 시스템(140)은 서로 통신하여 무선으로 연결된 두 개 내의 모듈(135) 및 두개 외의 모듈(141)을 포함한다. 두개 외의 모듈(141)은 또한 메모리/데이터 저장 장치(116)에 적절히 결합된 하나 이상의 프로세서/컨트롤러(들)(14)를 포함한다. 두개 외의 모듈(141)은 또한 여분의 두 개 모듈(141)의 구성 요소에 전원을 공급하기 위한 전원(143)을 포함한다. 자극 발생기(118)는 4개의 상이한 위치에서 사용자의 머리(4)의 피부 표면에 부착된 4개의 자극 전극(145A, 145B, 147A 및 147B)에 적절하게 전기적으로 연결된다. 자극 전극들(145A, 145B, 147A 및 147B)은 임의의 적합한 전기 전도성 겔 또는 페이스트(예를 들어 임의의 EEG 전극 겔 또는 페이스트와 같은)를 사용하여 머리(4)의 피부 표면에 전기적으로 결합할 수 있다. 자극 전극(145A, 145B, 147A 및 147B)은 적절한 도전성 절연 리드(139A, 139B, 137A 및 137B) 각각에 의한 자극 발생기(118)에 연결된다. 제1 주파수f에서의 제1 자극 전류는 제1 전극 쌍(145A 및 145B)에 자극 발생기(118)에 의해 인가될 수 있고, 제2 주파수f+Δf에서의 제2 자극 전류는 제2 전극 쌍(147A 및 147B)에 자극 발생기(118)에 의해 인가될 수 있다. 주파수f 및 f+Δf는 모두 신경 발화를 유도하기에는 너무 높은 주파수 범위(예를 들어 f 및 f+Δf≥ 1Khz)에 있다. 자극 발생기(118)는 자극 발생기(118)의 작동을 제어하는 프로세서/컨트롤러(들)(114)에 적절하게 전기적으로 연결된다.
두 개의 상이한 주파수에서 제1 전극 쌍(145A 및 145B) 및 제2 전극 쌍(147A 및 147B)을 통한 동시 자극에 의해 생성된 2개의 서로 다른 진동하는 전기장의 간섭으로 인해, 선택적 신경 활성화는 전기장들 사이의 간섭이 주파수 차에서 변조된 현저한 전기장 엔벨로프(envelope)를 야기하는 한정된 영역에 위치한다. 이 선택적 자극 방법은 측두부 간섭(Temporal interference, TI) 자극으로 지칭되며, Nir Grossman et al. 또한, 본 출원 전반에 걸쳐 비침습성 측두부 간섭 자극(NTIS)으로 상호교환적으로 언급될 것이다. 사용자 또는 환자의 머리(4) 상의 전극들의 정확한 위치 및 자극 강도 및 주파수는 특히 자극되는 뇌심부 구조(들)의 뇌 내의 위치, 두께 및 두개골 뼈(상이한 연령의 상이한 사용자 사이에서 크게 변경 가능한)의 다른 물리적 그리고 전기적 파라미터에 의해 결정될 수 있고, 개개의 사용자/환자의 적절한 테스트에 의해 경험에 따라 실험적으로 결정될 수 있다.
자극 전극(145A, 145B, 147A 및 147B) 및/또는 자극 주파수 및 세기(진폭) 파라미터의 위치를 조정하거나 변화시킴으로써 NTIS에서 신경원 모집 영역(neuronal recruitment region)의 영역의 크기 및 형태가 변경될 수 있기 때문에, Grossman et al에 의해 상세히 개시된 바와 같이 신경원 모집 영역의 크기, 형태 및 위치를 적절하게 변경시킴으로써 하나의 뇌심부 구조 또는 복수의 뇌심부 구조들을 자극하는 것이 가능하다.
두개 외의 모듈(141)은 또한 두개 내의 모듈(135)과 양방향으로 통신하기 위해 프로세서/컨트롤러(들)(114)에 적절하게 연결된 텔레메트리(telemetry） 장치(117)를 포함한다. 두개 외의 모듈(141) 및 두개 내의 모듈 (135)는 그 사이에서 데이터, 제어 신호 및 상태 신호를 원격적으로 교환할 수 있다.
두개 내의 모듈(135)는 이후 상세히 설명되는 두개 내로 이식된 전기 회로 모듈(152), 전기 회로 모듈(152)에 전기적으로 적절히 연결된 2개의 Ecog 전극 어레이들(144 및 146), 및 전기 회로 모듈(152)에 전원을 제공하기 위해 전기 회로 모듈(152)에 전기적으로 적절하게 결합된 두개 내의 유도 코일(146)을 포함한다. Ecog 어레이(144)는 좌우 외피 피질의 PFC 상에 배치되는 것이 바람직하지만 필수적이지 않다(외피 피질은 설명의 명료성을 위해 도 12에서 상세히 도시되지 않음) Ecog 어레이(142)는 도 12에서 도시된 바와 같이 좌측 외피 피질 TPC 상에 배치될 수 있다.
도 13으로 돌아가면, 전기 회로 모듈(152)은 하나 이상의 프로세서/컨트롤러(들)(124), 전기적으로 두개 내의 유도 코일(146)에 결합된 전원 조절 및 저장 장치(152), 프로세서/컨트롤러(들)(124)에 적절하게 전기적으로 결합된 텔레메트리 유닛(17), 프로세서/컨트롤러(들)(124)에 적절하게 전기적으로 연결된 메모리/데이터 저장 장치(16) 및 Ecog 어레이(142 및 144)에 전기적으로 연결되어 Ecog 어레이들(142 및 144)의 전극으로부터 감지된 신호를 수신하는 신호 조절 및 디지털 장치(들)(126)을 포함한다. 조절 및 디지털 장치(들)(126)는 또한 프로세서/컨트롤러(들)(126)에 연결되어 디지털화된 감지된 Ecog 신호의 데이터를 프로세서/컨트롤러(126)에 제공한다.
텔레메트리 유닛(17)은 두개 외의 모듈(141)의 텔레메트리 유닛(117)와 양방향으로 통신하여, 프로세서/컨트롤러(114) 및 프로세서/컨트롤러(들)(124) 사이의 데이터, 제어 신호 및 상태 신호의 양방향 무선 전송을 가능하게 한다. 상기 전원 조절 및 저장 장치(177)는 사용자의 머리(4)의 두피 상에 배치될 수 있는 두개 외에 배치된 제2 유도 코일(146)(설명의 명확화를 위해, 도 12 내지 13에 도시되지 않음) 내에 유도된 전류를 조절하기 위한 적절한 회로(도 12에 상세히 도시되지 않음)를 포함하는 것을 알아야 한다. 이러한 대뇌 외에 배치된 제2 유도 코일 내에 통과하는 교류 전류는 두개 내의 제1 유도 코일 내에 교류 전류를 유도한다. 두개 내의 유도 코일(146) 내에 흐르는 교류 전류는 전원 조절 및 저장 장치(177)에 포함된 적절한 전류 정류 다이오드 브릿지 회로(도시되지 않음)에 의해 정류될 수 있고, 예를 들어 수퍼 커패시터, 커패시터, 또는 전원 조절 및 저장 장치(177) 내에 포함된 재충전 가능한 화학 셀과 같은 임의의 적절한 전하 장치에 의해 저장될 수 있다. 전원 조절 및 저장 장치(177)는 전자 회로 모듈(152)의 전기 구성 요소를 요구하는 임의의 전류에 전압을 가하기 위해 사용된다. 전기 회로 모듈(152)의 구성 요소에 전원을 공급하는 전기 연결부는 도면의 명확화를 위해 도 12 내지 13에 도시되지 않았음을 참조해야 한다.
동작 중에, 시스템(140)은 사용자/환자의 인지 능력을 조정하기 위해(예로, 강화하거나 및/또는 증가하거나 및/또는 향상시키기 위해) 본 출원 내에 개시된 방법 중 임의의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, Ecog 어레이들(142 및 144)는 TPC 및 PFC로부터의 신호를 각각 감지할 수 있고, 감지된 신호는 신호 조절 및 디지털화 장치(들)에 의해 조절되거나(증폭 및/또는 필터되는) 그리고 디지털화될 수 있으며, 처리를 위해 프로세서/컨트롤러(들)(124)에 공급된다(본 출원에 개시된 임의의 처리 방법들에 따라). 프로세서/컨트롤러(들)(124)이 사용자가 인지 작업을 제공받았거나 인지 작업을 수행하려고 하거나 인지 작업을 수행하려고 한다는 표시를 검출하면, 시스템(140)은 전극들(145A, 145B, 147A 및 147B) 그리고 자극 생성기(118)를 사용하여 전술한 바와 같이 NTIS 방법을 사용함으로써 하나 이상의 뇌심부 구조를 자극하도록 두개 외의 모듈(141)을 사용할 수 있다. 본 출원에 개시된 뇌심부 구조(들) 중 임의의 것이 사용자/환자의 인지 능력을 조절하기 위해 두개 외의 모듈(141)을 사용함으로써 자극될 수 있다.
시스템(140)은 예를 들어 Ecog 전극 어레이들(142 및 144)(또는 피질의 표면을 관통하는 전극들로 이루어진 UTAH 전극 어레이들과 같은 다른 유형의 전극 어레이)와 같은 하나 이상의 뇌심부 구조 및 하나 이상의 침습성 전극 세트들을 비침습적으로 자극하기 위하여 NTIS를 사용하며, 이러한 예시적인 구성은 본 명세서에 개시된 방법을 실행하는 것이 필수적인 것은 아니다. NTS에서 자극 전극의 비침습성은 자극 절차를 단순화하지만, 사용자는 (모듈(141)이 큰 정적(static) 모듈인 경우) 두개 외의 모듈(141)에 묶여야 하거나, (모듈(141)이 사용자에 의해 운반될 수 있는 수형의 경량 모듈로서 구현되는 경우) 모듈을 휴대해야 한다(또는 모듈(141)을 쓰고있거나). 추가적으로, NTIS 를 수행하기 위해 대뇌 외의 전극을 사용하는 것은 사용자에게 불편할 수 있으며, 눈에 띄지 않을 수 있고, 부주의한 전극 이동 또는 피부에 대뇌 외의 자극 전극의 전기적 결합 특성에서 바람직하지 않은 변경을 피하기 위해 빈번한 보수를 요구한다.
이제, 도 14 및 15를 참조한다. 도 14는 본 출원의 시스템의 일부 실시예에 따라 하나 이상의 피질 영역을 직접적으로 자극하거나 및/또는 하나 이상의 뇌심부 구조의 대뇌 내의 주파수 간섭 자극을 수행하거나, 다수의 피질 영역에서 감지를 수행하기 위한 복수의 대뇌 내의 Ecog 어레이를 가짐으로써, 인지 능력을 증가하거나 또는 강화시키거나 또는 향상시키는 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 15는 도 14의 시스템에 포함된 기능적인 구성 요소를 도시하는 개략적인 기능 블록도이다.
도 14로 돌아가면, 시스템(160)의 모든 구성 요소는 사용자의 외부에 배치된 외부 프로세서/프로그래밍 장치(179)를 제외하고는 두개 내에 배치된다. 시스템 (160)은 대뇌 내의 이식된 전기 모듈(162), 전기 모듈(162)에 전기적으로 연결된 3개의 대뇌 내의 이식된 Ecog 전극 어레이들(164, 166 및 168), 및 전기 모듈(162)에 전기적으로 연결된 대뇌 내의 유도 코일(146)을 포함한다. Ecog 전극 어레이(168)은 PFC 상에 또는 PLC의 일부 또는 일부 상에 배치될 수 있다. 시스템(160)의 일부 실시예에 따르면, Ecog 전극 어레이(168)은 도 14에 도시된 바와 같이 피질 반구(hemispheres)의 PFC 영역 상에 배치될 수 있다. 대안적으로, 시스템(160)의 다른 실시예에 따르면, Ecog 전극 어레이(168)은 우측 피질 반구 내의 PFC 또는 그 일부 상에 배치될 수 있다. 대안적으로, 시스템(160)의 다른 실시예에 따르면, Ecog 전극 어레이(158)은 좌측 피질 반구 내의 PFC 또는 그 일부 상에 배치될 수 있다.
Ecog 전극 어레이(164)는 좌측 피질 반구의 TPC 상에 또는 좌측 피질 반구의 TPC의 일부 상에 배치될 수 있다. Ecog 전극 어레이(166)는 우측 피질 반구의 TPC 상에 또는 우측 피질 반구의 TPC의 일부 상에 배치될 수 있다.
도 15로 돌아가면, 시스템(160)은 하나 이상의 프로세서/컨트롤러(들)(14), 프로세서/컨트롤러(들)(14)에 적절하게 연결된 메모리/데이터 저장소(16), 외부 프로세서/프로그래밍 장치(들)(179)(사용자의 신체 외부에 위치하는)에 제어 신호 및/또는 데이터를 무선으로 전송하는 프로세서/컨트롤러(들)(14)에 적절하게 전기적으로 연결된 텔레메트리 유닛(17)를 포함한다. 시스템(160)은 대뇌 내의 유도 코일(146)에 적절하게 전기적으로 연결되어 그로부터 교류 전류를 수신하는 전원 조절 및 저장 장치(177)를 또한 포함할 수 있다. 전원 조절 및 저장 장치(177)의 구조 및 동작은 도 13의 전원 조절 및 저장 장치(177)에 대해 상술한 바와 같다.
시스템(160)은 또한 프로세서/컨트롤러(들)(14)에 의해 적절하게 연결되고 제어되는 자극 발생 모듈(170)을 포함할 수 있다. 자극 생성 모듈(170)은 직접 피질 자극 생성기(172) 및 DBS 주파수 간섭 자극 생성기(174)를 포함한다. 시스템(160)은 또한 하나 이상의 멀티플렉싱(Multiplexing) 장치(176)을 포함할 수 있다. 멀티플렉싱 장치(들)(176)은 DBS 주파수 자극 생성기(174) 및 직접 피질 자극 생성기(172)에서 Ecog 전극 어레이들(164, 166 및 168)의 선택된 전극들까지 자극의 전달을 제어하기 위한 프로세서/컨트롤러(들)(14)에 그리고 자극 생성기 모듈(170)에 적절하게 연결될 수 있다.
시스템(160)은 또한 도 13에 대해 상기 상세히 개시된 바와 같이 Ecog 어레이들(164, 166 및 168)에 포함된 전극들로부터 수신된 신호를 조절하기 위한 Ecog 센서 어레이들(164, 166 및 168)에 적절하게 전기적으로 연결된 하나 이상의 감지된 신호 조절 및 디지털 장치(126)를 포함할 수 있다. 전원 조절 및 저장 장치(177)는 전기 모듈(162)의 동작을 위한 전원을 제공할 수 있다. 그러나, 전기 모듈(162)의 다양한 구성 요소에 전원을 공급하는 연결은 설명의 명확성을 위해 도 15에 상세히 도시되지 않는다.
외부 프로세서/프로그래밍 장치(들)(179)은 전기 모듈(162)의 텔레메트리 유닛(17)과 원격으로 통신할 수 있는 임의의 적절한 처리 장치일 수 있다. 처리 장치는 통신의 원격 측정 기능(예를 들어, Wi-Fi와 같은)을 갖는 컴퓨터일 수 있으며, 또는 처리 그리고 제어 및 무선 통신 구성 요소를 포함하는 휴대용 또는 포터블 장치일 수 있다. 예를 들어, 외부 프로세서/프로그래밍 장치(들)(179)는 전기 모듈(162)의 동작을 제어하기 위한 텔레메트리 유닛(17)와 원격으로 통신할 수 있는 어플리케이션 프로그램을 구동하며 전기 모듈(162)로부터 데이터 및 상태 신호들을 수신 및 저장하고 시스템(160)의 사용자에게 이러한 데이터 및 상태 신호들을 디스플레이하고(및/또는 시스템160을 사용하는 사용자 또는 환자를 감시하는 의사 또는 기술자에게), 그리고 전기 모듈(162)의 동작을 제어하는 제어 신호를 사용자가 전송 가능하게 하는 모바일 또는 셀룰러 전화 장치 또는 스마트폰일 수 있다.
작동 중, 시스템(160)은 조절될 수 있으며, 하나 이상의 Ecog 전극 어레이들(164, 166 및 168)(예를 들어, PFC 및/또는 좌측TPC 및/또는 사용자의 우측 TPC 내의 감지와 같은)을 사용함으로써, 사용자의 하나 이상의 피질 영역으로부터 전기 신호를 감지할 수 있다. 감지된 신호는 감지된 신호 조절 및 디지털 장치(들)(126)에 의해 조절되고(예를 들어, 증폭 및 (선택적으로) 필터링 되고 그리고 나서 디지털화되고 그리고 처리를 위해 프로세서/컨트롤러(들)(14)로 공급될 수 있다(본 출원에 개시된 임의의 처리 방법에 따라). 만약 프로세서/컨트롤러(들)(14)가 사용자가 인지 작업에 제시되었거나 인지 작업을 수행하거나 인지 작업을 수행하고자 의도하는 표시를 검출하면, 프로세서/컨트롤러(들)(14)는 아래와 같이 하나 이상의 뇌심부를 자극하는 자극 발생 모듈(170)을 제어할 수 있다. 프로세서/컨트롤러 장치(들)(14)는 Ecog 전극 어레이(164)의 2개의 분리된 전극들(164A 및 164B)와 Ecog 전극 어레이(166)로부터 2개의 분리된 전극들(166A 및 166B)를 선택하는 멀티플렉싱 장치(들)(176)을 제어할 수 있다. 전극들이 선택된 이후에, 프로세서/컨트롤러(들)(14)는 DBS 주파수 간섭 자극 생성기(174)를 제어하여 전극 쌍(164A 및 164B) 사이에 진동 주파수f를 갖는 진동 전류 또는 전압을 인가하고 동시에 진동 주파수가 f+Δf의 진동 주파수를 갖는 진동 전류 또는 전압을 인가한다. 2개의 주파수 f 및 f+Δf는 1KHz보다 크거나 동일하다. 이러한 자극의 측두부 간섭 방법은 전술한 Nir Grossman et al 등의 NTIS방법과 다소 비슷하지나 동일하지 않지만, NTIS와 특정 양상이 상이하다. 2개의 방법 사이의 첫번째 차이점은 하나 이상의 뇌심부 구조를 자극하기 위한 대뇌 내의 자극 전극들(대뇌 내의 이식된 Ecog 전극 어레이들 또는 다른 대뇌 내의 전극 어레이들의)을 사용하는 시스템(160)에 대한 다른 방법이 여기에 설명되는 반면에 NTIS가 대뇌 외의 비침습성 자극 전극들을 사용하여 비침습성 뇌심부 자극을 성취한다는 것이다. NTIS 방법으로부터 여기에 개시된 대뇌 내의 자극 전극들을 사용하는 방법을 명확하게 구별하기 위해, 본 출원을 통해 두번째 방법을 대뇌 내의 측두부 간섭 자극(ICTIS)로서 언급한다.
NTIS와 ICTIS 사이의 또 다른 유리한 차이점은 NTIS에서 대뇌 외의 전극들이 머리 상의 동일 위치에 고정된 상태로 있지만, 사용되는 자극 전극들은 임의의 Ecog 전극 어레이들로부터 상이한 전극 쌍들을 선택하고 2개의 상이한 간섭 진동 주파수를 자극 전극 쌍의 임의의 원하는 구성으로 전달하도록 멀티플렉싱 장치(들)(176)를 단순히 제어함으로써 매우 빠르게 변할 수 있다. 이러한 장점은 뇌 내에 형성된 신경 모집 포칼 영역(neuronal recruiting focal region)의 크기, 형태 및 위치의 조정에 대한 향상된 제어를 가능하게 한다.
또한, 임의의 원하는 전극 수 및 Ecog 전극 어레이(164)의 전극 구성을 갖는 2개의 상이한 전극 그룹들로 주파수f의 자극 진동을 적용함으로써 분리된 전극 그룹들의 임의의 선택된 조합을 통해 진동 자극 신호를 통과시키고 동시에 주파수 f+Δf의 자극 진동을 적용함으로써 자극 전극들은 거의 순간적으로 변경될 수 있기 때문에, 시스템(160)의 구성은 자극의 추가적인 제어를 가능하게 한다.
Ecog 전극 어레이(166)으로부터 선택된 임의의 전극 수 및 전극 구성을 갖는 2개의 상이한 전극 그룹들의 다른 전극 쌍에. 자극 전극의 각 쌍 내에 이러한 전극 그룹핑(군) 변경 방법은 정적 고정된 크기의 자극 전극 쌍을 특징으로 하는 NTIS 방법과 비교하여 신경 모집 엔벨로프 영역의 파라미터의 미세한 제어를 허용할 수 있다.
게다가, ICTIS 방법의 다른 이점은 사용자의 뇌 내의 상이하게 위치한 뇌심부 구조들의 교대 자극이 될 수 있고, 신경 모집 영역의 위치 및/또는 크기 및/또는 형태의 신속한 교대 변화를 허용함으로써, 전극 그룹 쌍들 또는 단일 전극의 쌍의 구성 및 위치가 상이하게 위치한 자극 그룹 쌍들 사이 또는 상이하게 위치한 단일 전극 그룹 쌍들 사이에서 신속하게 교대될 수 있다. 이러한 변경은 필요하다면 뇌심부 구조의 미세한 측두부 제어를 달성하는데 보다 유용할 수 있다(이것은 위에서 개시한 표시의 검출 이후에 상이한 시간에 상이한 뇌심부의 구조를 자극하는 것을 가능하게 할 수 있음을 의미한다).
시스템(160)의 또 다른 특징은 NTIS 또는 ICTIS에 의한 뇌심부 구조들의 자극뿐만 아니라 자극 신호들(예를 들어 펄스 또는 펄스열과 같은)을 임의의 선택된 전극들로(또는 전극 쌍들 또는 전극 그룹들) 직접적으로 적용함으로써 일부 피질 영역의 선택된 영역의 자극을 허용할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 프로세서/컨트롤러(들)(14)는 멀티플렉서 장치(들)(176) 및 직접 피질 자극 생성기(172)를 제어하여 Ecog 전극 어레이들(164 및 166)의 전극들을 통해 TPC 또는 그 임의의 일부에 및/또는 Ecog 전극 어레이(168)의 전극들을 통해 그의 PFC 또는 그의 일부에, 또는 PFC 및 TPC 또는 그의 일부의 임의의 선택된 조합에 직접 자극을 전달할 수 있다.
또한, 적절한 멀티플렉싱 제어를 사용함으로써, 예를 들어 하나 이상의 뇌심부 구조들 및 하나 이상의 피질 영역의 동시 자극, 하나 이상의 피질 영역들의 동시 자극(예로, PFC 및 TPC), 단일 뇌심부 구조(ICTIS에 의해)의 자극, Ecog 전극 어레이들(164, 166 및 168) 중 선택된 하나를 통한 직접 자극에 의한 단일 피질 영역 또는 그의 일부에 자극을 포함하는 자극 요법(stimulation regimes)의 복수의 유형을 수행할 수 있다. 이러한 자극 요법/방법들의 임의의 조합 및 순열이 수행될 수 있다.
BCI 시스템을 사용하는 특정 예시적 방법
본 출원의 일부 실시예의 방법들에 따라, 사용자의 인지 능력을 증가하거나 또는 강화하거나 또는 개선하는 4개의 상이한 예시적인 방법의 단계를 도시하는 개략적인 순서도인 도 16 내지 19를 이제 참조한다.
이러한 예시적인 방법들은 상술한 다양한 시스템의 프로세서/컨트롤러(들) 중 임의의 프로세서/컨트롤러 상에 동작하는 적절한 소프트웨어 프로그램에 의해 수행될 수 있음을 알아야 한다.
도 16으로 돌아가면, 상기 방법은 사용자의 하나 이상의 피질 영역에서 Ecog 신호를 감지하는 단계를 포함한다(단계200) 감지된 신호들은 시스템의 메모리/데이터 저장 장치(들)에서 (예를 들어, 메모리/데이터 저장소(16) 또는 상기 개시된 16과 같은) 기록되거나 및/또는 저장될 수 있다(디지털화된 형태로). 방법은 감지된 신호들의 디지털화된 데이터의 전력 스펙트럼을 계산하기 위해 (예를 들어, 고속 푸리에 변환 알고리즘과 같은) 데이터 상의 푸리에 변환(FT)을 수행함으로써 감지된 디지털화된 신호 또는 저장된 데이터를 처리할 수 있다(단계 202). 방법은 전력(power) 스펙트럼을 사용하여 후술하는 바와 같이(단계 204) 베타 주파수 대역(15 내지 30Hz의 범위의 주파수를 갖는 대역)에서 가중치 위상차 지수(weighted phase lag index, wPLI)의 값을 계산한다. 그 다음, 방법은 wPLI의 계산된 값을 임계값과 비교한다(단계 206) 만약, wPLI의 값이 임계값보다 크거나 같으면, 상기 방법은 하나 이상의 타겟 영역(단계 208)을 자극하고 제어를 단계200으로 전달한다.
만약, wPLI의 값이 임계값보다 작은 경우, 방법은 제어를 200으로 전달하여 Ecog 신호의 감지를 계속한다.
단계208의 표적 영역은 하나 이상의 피질 영역 또는 하나 이상의 뇌심부 구조들 또는 하나 이상의 피질 영역들과 하나 이상의 뇌심부 구조들의 조합일 수 있다. 단계208에서 자극될 수 있는 뇌심부 구조들은 복부 피개 영역(VTA), 선조체(striatum), 미상핵(caudate nucleus), 조가비핵(putamen), 측좌핵(nucleus accumbens), 청반(locus ceruleus), 해마(hippocampus), 편도체(amygdala), 중엽변연 시스템(meso-limbic system)의 뇌심부 구조, 기능적으로 학습, 기억 및 집중을 강화하고 용이하게 하는 뇌심부 구조, 뇌의 피질하 영역, 흑질(substantia nigra), 뇌의 피질하 영역, 배후 선조체(dorsal striatum), 중뇌피질계(mesocortical system) 내의 변연 구조(limbic structures)의 일부, 흑질 선조체 시스템(nigrostriatal system)의 일부, 결절 누두 시스템(tuberoinfundibular system)의 일부, 뇌궁(fornix), 메이너트 기저핵(nucleus basalis of meynert , NBM), 전방의 꼬리 핵(anterior caudate nucleus), 배후 선조체(dorsal striatum), 전방의 시상핵(anterior thalamic nucleus), 중앙 시상(central thalamus), 외측 시상하부(lateral hypothalamus), 슬하 대상 영역(cingulated, BA25), 내후각 피질(enthorinal cortex), 관통로(perforant path), 중앙 전두엽(medial frontal lobe), 시상밑핵(subthalamic nucleus) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
우울증을 겪는 환자에서, 선호되는 뇌심부 표적의 일부는 슬하 대상 영역(subgenual cingulated region, BA25), 복부 피막(VC)/복부 선조체(VS), NA, 측생 줄기(lateral Habenula), 복부 꼬리핵(ventral caudate nucleus) 및 하위 시상 화경(inferior thalamic peduncle)을 포함할 수 있고, 이에 한정되지 않는다.
정상적인 사용자에서 선호되는 뇌심부 표적의 일부는 복부 피질 영역(ventral tegmental area, VTA), 선조체(striatum), 미상핵(caudate nucleus), 측좌핵(nucleus accumbens), 청반(locus ceruleus), 해마(hippocampus), 편도체(amygdala), 중엽변연 시스템(meso-limbic system)의 뇌심부 구조, 기능적으로 학습, 기억 및 집중을 강화하고 용이하게 하는 뇌심부 구조, 뇌의 피질하 영역, 흑질(substantia nigra), 뇌의 피질하 영역, 배후 선조체(dorsal striatum), 중뇌피질계(mesocortical system) 내의 변연 구조(limbic structures)의 일부, 흑질 선조체 시스템(nigrostriatal system)의 일부, 결절 누두 시스템(tuberoinfundibular system)의 일부, 뇌궁(fornix), 메이너트 기저핵(nucleus basalis of meynert , NBM), 전방의 꼬리 핵(anterior caudate nucleus), 배후 선조체(dorsal striatum), 전방의 시상핵(anterior thalamic nucleus), 중앙 시상(central thalamus), 외측 시상하부(lateral hypothalamus), 슬하 대상 영역(cingulated, BA25), 내후각 피질(enthorinal cortex), 관통로(perforant path), 중앙 전두엽(medial frontal lobe), 시상밑핵(subthalamic nucleus) 및 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
표적 뇌 영역이 하나 이상의 피질 영역들을 포함하는 경우, 단계208의 자극은 전액골 피질(PFC), PFC의 일부, 배외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC), DLPFC의 일부, 측두두정 피질(temporoparietal cortex, TPC), TPC의 일부, 하전두이랑(inferior frontal gyrus, IFG), IFG의 일부, 측두 두정 연접부(temporal parietal junction, TPJ), TPJ의 일부 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 피질의 임의의 조합은 단계208에서 자극될 수 있음을 알아야 한다.
도 16에 개시된 방법에서 약간의 변형이 가능함을 알아야 한다. 예를 들어, 표적 뇌 영역의 자극은 단계206의 표시의 검출 직후에 수행될 수 있는 반면, 일부 실시예에서 자극은 특히 단계208에서 자극된 표적 뇌 영역에 따라 적절하게 지연된 기간 후에 수행될 수 있다.
도 17로 돌아가면, 도 17에 도시된 예시적인 방법은 하나 이상의 피질 영역(단계210)에서 Ecog 신호들을 감지하는 단계를 포함한다. 예를 들어 고속 푸리에 변환(FFT)와 같은 푸리에 변환은 감지된 신호(및 기록되고 디지털화된)에 대해 수행되어 신호들의 전력 스펙트럼을 계산한다(단계212). 이 방법은 감마 주파수 대역에서 순간 전력(momentary power)Pγ를 모든 전력 스펙트럼으로부터 계산한다. 순간 전력Pγ은 선택된 전극 수의 전력 스펙트럼으로부터 작은 시간 블록(예를 들어, 약 1초)에 대해 계산된 전력 값을 나타낸다. 감마 대역은 주파수 범위f≥30Hz를 포함하는 대역이다. 방법은 Pγ의 계산된 값을 임계값과 비교한다(단계216). Pγ의 값이 임계값보다 작거나 같은 경우, 본 발명은 하나 이상의 뇌 표적 영역(단계218)을 자극하고, 감지를 계속하도록 단계210로 제어를 전송한다. Pγ의 값이 임계값보다 큰 경우, 본 방법은 감지를 계속하도록 단계210로 제어를 되돌린다. 감지가 단계210에 의해 수행되는 피질 영여(들)은 도 16의 단계200의 감지에서 피질 영역(들)에 유사할 수 있다.
단계218에서 자극될 수 있는 표적 뇌 영역(들)은 도 16의 단계208의 표적 뇌 영역(들)에 유사할 수 있다.
방법의 일부 실시예에서, 피질 표적 영역(들)에서 감지는 표적 뇌 영역(들)의 자극이 자극되고 있는(가능한 자극에 의해 유도될 수 있는 감지 자극 인공물을 피하기 위해) 동안 멈춰질 수 있다.
도 18로 돌아가면, 도 18에서 도시된 방법은 도 16에서 도시된 방법과 유사할 수 있으며, 도 18의 방법의 단계220에서 예외적으로, 피질 영역(들)에서 감지는 표적 뇌 영역(들)의 자극 동안 중단되고 도 18의 단계200으로 전달된 후에 계속된다.
도 19로 돌아가면, 도 19에서 도시된 방법은 도 17에 도시된 방법과 유사할 수 있으며, 도 19의 방법의 단계222를 예외적으로, 피질 영역(들) 내의 감지는 표적 뇌 영역(들)의 자극 동안 멈추고 도 19의 단계210로 제어가 전달된 후에 계속된다.
도 18 및 19의 방법들의 다른 가능한 실시예는 단계206 및 216 각각에서 표시의 검출의 시점으로부터 지연 시간이 경과된 후에 표적 뇌 영역의 자극이 시작되도록 각각 단계220 및 220을 변형하는 단계를 포함할 수 있다.
wPLI의 계산 방법
wPLI를 계산하는 방법은 당업계에 공지되어 있으며, 다음의 논문에 상세히 개시되어 있다:
Christophe Micheli, Daniel Kapinf, Stephanie Westendorff, Taufikand A. Valiante, Thilo Womelsdorf, “Inferior-Frontal cortex phase synchronizes with temporal-parietal Junction prior to successful change detection”,로 Neuroimage에서 발행, 119, pp.417-431(2015)
및
MartinVinck, Robert Oostenveld, Marijnvan Wingerden, Franscesco Battaglia 및 Cyriel MAPennartz, “An improved index of phase-synchronization for electrophysiological data in the presence of volume-conduction, noise and sample-size bias”, NeuroImage에서 발행, 55, pp.1548-1565, (2011)
간단히 말해, 스펙트럼 분석은 0.5초 시간 범위(windows)에 동일한 크기로 푸리에 분석에 의해 수행된다. 데이터는 테이퍼(tapers) Discrete　Prolate Spheroidal Sequence(DPSS) 및 +/- 4Hz 주파수 대역폭(3 테이퍼에 대응하는)을 사용하여 테이퍼된다. 예를 검사하고 시각화하기 위해, 시간 주파수 분석은 중심이 다음/이전 범위(window)로부터 0.05초 떨어진 0.5초 범위들을 사용하여 실행되며, 0.45초의 중첩을 허용한다.
위상 동기화 분석( Analysis of phase synchronization )
개별 전극의 신호들 간의 연결성을 연구하기 위해 가중치 위상차 지수(wPLI)를 계산한다. wPLI는 교차 스펙트럼의 허수 성분만을 기반으로 하는 위상 동기화(간섭성(coherence)과 유사)의 척도(measure)이며, 두 개의 별도의 센서들(예를 들어 2개의 감지 전극들과 같은)에 단일 소스의 활동의 볼륨 전도(volume conduction)에 의해 영향을 받지 않는다. wPLI는 상호 작용하는 소스(source) 간의 실제 위상 커플링의 증가와 단조롭게 관련된다. wPLI의 장점은 2개의 종속 소스의 선형 혼합에 불변하여 상호작용하는 소스가 공간적으로 가까운 경우 상호 작용을 감지하는데 민감하다. wPLI의 직접 추정기(estimator)는 샘플 크기에 의해 편향된다. 따라서 우리는 제로(부정적인 값은 제한된 샘플링으로 우발적으로 발생한다)에서 1(최대 위상 동기화)까지의 범위에 있는 디바이어스된(debiased) wPLI 추정기를 사용함으로써 제곱된 wPLI를 추정한다. 디바이어스된(debiased) wPLI는 점근의(asymptotic) wPLI 값이 제로일(위상 커플링 없음) 때 샘플 크기 바이어스를 가지지 않으므로, 디바이어스된 wPLI는 거짓으로(spuriously) 상호작용을 나타내지는 않는다. 게다가, 샘플 크기 바이어스는 20 내지 30회의 작은 샘플 크기에서도 무시할 수 있다. 디바이어스된 wPLI는 제곱된 wPLI의 추정치이고, 즉, 디바이어스된 wPLI에 대한 0.1의 값은 바이어스되지 않은(unbiased) 약 0.3의 wPLI의 값에 대응한다. wPLI는 2개 채널(예를 들어, 2개의 전극들) 사이의 교차 스펙트럼을 고려하고, 각 주파수에 대해 0 및 90°(0에서 값이 없고(nulled), 90°에서 1로 가중치 적용됨) 사이의 위상차를 선형적으로 가중하며, wPLI의 값을 계산하는 방정식은 다음과 같다:
Figure pct00002
교차 스펙트럼(cross-spectrum)은 C(f) = X(f)Y (f). 행렬X와 Y는 각각 채널 X와 채널Y의 FFT 변환이며, *는 공액 행렬 연산자이고 C는 교차 스펙트럼이다. C의 복소 비대각(complex non-diagonal) 부분은 NDC(비대각 교차 스펙트럼, non-diagonal cross-spectrum)을 가르키고, Imag(.)는 허수부 연산자, |.|은 절대값 연산자이고, E{.}는 시도(trials)서 기대값 연산자(샘플 평균)을 나타낸다. 빈도(frequency)에 대한 NDC의 의존성은 항상 암묵적으로 가정되지만 생략된다.
wPLI의 값은 전체 Ecog 전극 어레이의 전력 스펙트럼 세트로부터 계산될 수 있지만, 실제로는 계산 효율을 위해 감지 전극(부샘플)의 선택된 세트의 전력 스펙트럼으로부터 계산될 수 있음을 알아야 한다.
이론적으로, 충분히 높은 계산 능력이 주어지면 상이한 피질 영역 예를 들어 PFC와 TPC에 위치하는 2개의 Ecog 전극 어레이를 사용하여 감지할 때, 한 쌍의 전극 중 한 전극이 PFC에서 감지하고 한 쌍의 다른 전극이 TPC에서 감지하는 전극 쌍들의 모든 가능한 조합의 전력 스펙트럼으로부터 wPLI를 계산할 수 있다. 그러나 실질적으로, 제한된 연산 능력으로 인해, wPLI의 계산은 그러한 전극 쌍의 제한된 서브세트(subset)에 대해 수행될 수 있다.
Pγ의 계산 방법
신호x의 전력 스펙트럼 (Sxx,j )은 다음과 같이 정의된다:
Sxx,j = (2Δ2 / T) Xj Xj *, 이는 샘플링 간격 (Δ)의 제곱과 기록의 총 지속 시간(T)에 의해 스케일링된 주파수 fj (Xj ) 및 복수 공액(Xj *)에서의 x의 푸리에 변환의 곱(product)이다. 전력 스펙트럼의 단위는 (이경우): (μV)2/Hz이다.
세션을 심사하는(screening) 것으로부터의 데이터는 평균 공통(common average)에 피질 신호들을 재참조하고 500msec 슬라이딩 윈도우(sliding windows)를 사용하여 1 내지 50Hz에서 1Hz 빈(bins)의 스펙트럼 전력을 계산하는 최대 엔트로피 방법(Maximum Entropy Method, MEM)으로 알려진 스펙트럼 전력 추정을 위한 자기회귀(autoregressive) 방법을 사용함으로써 오프라인으로 분석될 수 있다. 작업을 심사한(screening) 후, 단일 교정 실행이 수행되어 선택된 BCI 조절 특징(BCI 조절 특징은 사용자 또는 환자의 신경학적 상태의 변화를 반영하는 생리적 변화의 표시 또는 신호)의 유효하게 하는데 제공한다.
BCI 제어 세션(BCI Control Sessions)
온라인 폐쇄 루프(closed loop) 세션 동안, 피질 신호들은 공통 평균으로 재참조되고, 스펙트럼 분석이 MEM 알고리즘을 사용하여 범위(window)당 125msec만큼 쉬프트된 피질 데이터의 500msec 범위(windows) 상에서 1Hz 빈으로 수행된다. 각각의 500msec 범위(window)가 수집된 후에, 제어 특성에서 스펙트럼 전력은 다음 식에 의해 기술된 바와 같이 자극 체제(stimulation regime)를 업데이트하는데 사용된다:
Figure pct00003
여기서, Y(t)는 최대 피질 자극 범위의 0 내지 100% 범위에 구속된 현재 피질 자극이고, Y(t-1)은 이전 자극 설정(setting)이고, X(t)는 BCI 제어 특징의 현재값이며, μrest 및μactive는 활동 및 휴식 시도(trials) 동안 BCI 제어 특징의 평균이며, σrest 는 휴식 시도동안 BCI 제어 특징의 표준편차이고, Gain은 자극 세기를 제어하는 이득 항(gain term)이며, Bias는 휴식 기간을 구분할 수 있는 능력을 향상시키기 위해 고안된 바이어스 항이다.
상기 개시된 방법은 상술한 특정 방법 및 알고리즘에 한정되지 않는다는 것을 유의해야 한다. 예를 들어, 본 방법들은 당업계에서 공지된 스펙트럼 분석의 임의의 방법에 의해 임의의 주파수 대역에서 전력 스펙트럼 및 P(순간 스펙트럼 전력) 및/또는 wPLI의 계산을 포함할 수 있으며, FFT와 같은 푸리에 변환 방법들을 사용하는 것으로 제한되지 않는다.
추가적으로, 전술한 특정 예시적인 방법은 Pγ(감마 주파수 대역에서 순간적인 스펙트럼 전력)으로 Pf(선택된 주파수 대역f에서 순간적인 전력)의 값을 계산하지만, 이것은 강제적이지 않으며 Pf의 값은 예를 들어 델타, 세타, 뮤, 알파, 베타 및 감마 대역과 같은 임의의 원하는 주파수 대역 또는 이러한 대역의 임의의 선택된 조합에 대해(Pγ 대신에)계산되고 사용된다.
유사하게, 감지된 신호의 위상의 변화의 검출을 사용하는 방법은 감마 주파수 대역에서의 파라미터 wPLI의 계산 또는 wPLI의 계산에 전혀 제한되지 않으며, 여기서 상술된 임의의 주파수 대역들(예를 들어, 델타, 세타, 뮤, 알파, 베타 및 감마 대역 도는 이들의 임의의 선택된 조합과 같은)에서 위상 변경을 검출하기 위한 임의의 알고리즘 또는 방법에 의해 수행될 수 있다. 전술한 임의의 주파수 대역에서 위상 또는 스펙트럼 전력의 변경을 계산하거나 검출하기 위한 임의의 방법이 본 명세서에서 개시된 시스템 및 방법에 사용될 수 있다.
여기에 개시된 시스템은 또한 인간의 인지 능력을 강화하기 위해 사용될 수 있다. 시스템의 사용의 방법에 대한 일부 실시예에 따르면, 상기 시스템은 신경학적 손상 도는 신경학적 장애 또는 신경 정신병적 장애를 갖는 인간 환자에서의 인지 결핍을 치료하는데 사용될 수 있다.
예를 들어 시스템(10, 30, 40 및 50, 60, 80, 120, 130, 140 및 160)과 같은 BCI 시스템은 특히 뇌손상, 뇌졸중 치매, 신경 퇴행성 장애 또는 이러한 환자의 인지 능력을 저해하거나 부작용을 일으키는 다른 병변이 있는 개인의 학습(또는 재학습) 속도를 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 추가적으로, 뇌졸중, 치매, 신경퇴행성 장애, PFC의 병변, 또는 장애가 있는 작동 기억 문제 또는 주의력 유지 능력이 손상된 개인의 경우, 여기에 개시된 시스템은 작업 기억을 개선하고 주의력 유지 능력을 향상시키는데 사용될 수 있다. 본 출원에 개시된 시스템들 및 방법들은 또한 주의 집중의 인지 작업과 관련된 뇌 영역에서 신경 활동을 제어하거나 및/또는 조절함으로써, ADHD 또는 ADD를 가진 개인들을 치료하는데 사용될 수 있다.
또한, 본 출원의 시스템의 일부 실시예에 따르면, 본출원에 개시된 시스템들과 방법들은 동일 또는 다른 상이한 뇌 영역에서의 OCD 유형의 행동과 관련된 신경 활동 패턴을 검출할 수 있으며, 2016 12월, Volume 10, Issu 4, Pp1054-1067, Brain Imaging and Behavior에서 발행되고 "Variability and anatomical specificity of the orbitofrontothalamic fibers of passage in the ventral capsule/ventral striatum (VC/VS): precision care for patient-specific tractography-guided targeting of deep brain stimulation (DBS) in obsessive compulsive disorder (OCD)”의 제목인 Nikolaos Makriset et al에 의해 개시된 바와 같이 선택된 뇌 영역에서 신경 활동을 적절하게 조절함으로써 OCD를 겪는 신경 및/또는 신경 정신병 환자를 치료하기 위해 사용될 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로 여기에 개시된 시스템들 및 방법들은 특히 학습 속도, 작업 기억(WM) 및 주의력과 같은 인지 능력을 강화하거나 및/또는 증가하거나 및/또는 향상시키기 위해 일반적인 사용자에게 사용될 수 있다.
인간 선조체(striatum )는 가중 학습 엔진”과 유사한 뇌심부 구조이다. 선조체의 뇌심부 전기 자극으로 작업들을 학습하는 동안, VTA와 더 깊은 구조가 새로운 작업을 학습하는 과정 동안 강화되는 관련 뉴런 사이의 연결을 강화하는 도파민을 방출하게 합니다. 그 결과 학습 속도가 두배가 된다.
배외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)은 작업 기억과 주의력을 제어하는 피질 표면 영역(BA46 및 9)이며, 실행 인지(executive congition)의 가장 중요한 구성요소 중 일부이다. 작업 메모리에 항목을 보관하고 주의력을 유지하는 작업 동안 DLPFC 내의 뚜렷한 신경 활성화의 패턴이 감지될 수 있다.
본 출원에 개시된 상이한 시스템들에서, 뇌심부 자극기/내장된(embedded) 메쉬 전기/스텐트 어레이는 작업 기억 활성화 또는 주의력을 유지하는 동안 특정 시간에 선조체 또는 다른 뇌심부 구조들을 자극하도록 사용되어, “긍정적인(positive)” 인지 행동(여러 항목을 작업 메모리 내에 저장하고, 올바르게 검색하거나 또는 특정 임계값을 초과하여 주의력을 유지하는 것과 같이)과 연관된 연결성(connectivity )을 보강하고 강화한다.
본 출원에서 개시된 모든 시스템에서, 시스템의 다양한 구성 요소들 사이의 연결들은 유선 연결들로서 또는 무선 연결로서(적절한 무선 송신기, 및/또는 무선 수신기 및/또는 무선 송수신기를 사용함으로써) 구현될 수 있다. 전극 세트(들) 및 프로세서/컨트롤러가 뇌의 표면 상에 배치되거나 또는 대뇌 내에 배치되는 경우, 시스템을 둘러싼 조건들에서 작동할 수 있다면 임의의 적절한 무선 송신기가 사용될 수 있으며, 무선 주파수(RF) 무선 시스템을 사용하는 것이 가능할 수 있지만 이식된 뇌 장치들에 적합한 초음파 무선 통신 장치, 적외선 무선 통신 방법 및/또는 장치, 광 무선 통신 장치 및/방법들과 같이 업계에 공지된 다른 무선 통신 방법 및 장치들이 사용될 수 있다.
여기서 개시된 모든 시스템들의 다양한 구성요소 사이의 유선 또는 무선 통신 링크의 유형은 단 방향(예를 들어, 단지 감지만을 위해 또는 자극만을 위한 링크와 같이)일 수 있지만, 양방향 통신을 위한 링크일 수도 있다. 예를 들어, 감지 전극 어레이(여기서 개시된 임의의 감지 전극 세트들과 같이)와 프로세서/컨트롤러 사이의 연결은 감지 전극 세트를 통한 자극 신호의 전달을 가능하게 할 수 있다. 이는 전극의 전기적 특성 및/또는 전극과 밀접한 접촉의 뇌 조직 또는 그 부근에서 임의의 변화를 결정하기 위해 전극을 시험하는데 유용할 수 있다. 유사하게, 자극 전극 세트에 링크는 자극 전극(들) 및 그들의 인접 환경을 테스트하기 위한 테스트 펄스에 대한 전기적 응답을 감지하도록 양방향 링크일 수 있다. 다른 테스트들은 신경 생존력 또는 활동의 단기간, 중기간 및 장기간의 변화를 테스트하고, 및/또는 시간에 대한 변화를 모니터링하기 위해 수행될 수 있다.
‘본 출원의 시스템 및 방법의 일부 실시예에 따르면, 사용자(또는 환자의)의 인지 능력의 향상 및/또는 강화 및/또는 증가가 위에서 개시된 뇌심부 구조들을 자극하는 것 없이 수행될 수 있다는 것을 알아야 한다.
예를 들어, 본 출원의 시스템의 일부 실시예에 따르면, 시스템은 인지 작업의 수행의 표시 및/또는 여기서 상세하게 개시된 이러한 인지 작업을 수행하는 의도의 표시인 작업 신경 활동과 연관된 DLPFC 신호들에서 감지/기록을 위한 하나 이상의 전극 세트들을 포함할 수 있다. 그러나 시스템의 일부 실시예에서 뇌심부 구조들에 자극을 전달하기 위한 하나 이상의 전극 세트들 포함하는 이전에 개시된 예시적인 시스템과 대조적으로, 시스템은 인지 작업을 수행하기 위한 의도 및/또는 인지 작업의 제시(presentation)와 관련된 신경 활동을 검출할 때 자극을 DLPFC로 전달할 수 있는 하나 이상의 전극 세트들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 3으로 돌아가면, DLPFC에서 감지 및 자극을 위한 시스템은 프로세서/컨트롤러(14), 전원(3), 메모리/데이터 저장소(16), (선택적) 보조 센서(들)(18), (선택적) 효과기(effector) 장치(들) 및 감지 전극 세트(들)(12C)를 포함할 수 있다 (자극 전극 세트(들)(12D)는 이러한 시스템에 포함되지 않는다). 감지 전극 세트(들)(12C) 및 프로세서/컨트롤러(14)는 전술한 바와 같이 신경 활동과 관련된 DLPFC에서 감지/기록을 위해서 그리고 여기서 상세히 개시된 이러한 인지 작업을 수행하는 의도 및/또는 인지 작업의 수행의 표시와 연관된 시공간적(spatio-temporal)신경 활동 패턴을 검출하는 감지된/기록된 신호를 처리하기 위해 사용될 수 있다.
일단 이러한 패턴이 검출되면, 시스템은 DLPFC의 특정 영역을 자극하기 위해 동일한 감지 전극 세트(들)(12C)를 사용할 수 있다. 이러한 검출에 응답하여 DLPFC에 전달된 DLPFC 자극은 사용자의 인지 능력의 강화/증가/향상을 이끄는 이러한 회로의 강화를 이끌어 내는 국소화된 DLPFC 회로에 연관된 신경의 세포체 또는 수상돌기 상의 도파민으로 활성화되는 시냅스 종단(terminating)의 국소 활성화를 야기할 수 있다.
이러한 시스템은 뇌심부 구조들의 자극을 전달할 수 있는 전극 세트(들)을 이식하는 상대적으로 복잡한 수술 절차를 수행할 필요가 없기 때문에 유리할 수 있다. 추가적으로, DLPFC의 감지/기록 및 자극은 모두 단일 전극 세트에 의해 수행될 수 있기 때문에, 개시된 시스템은 더 적은 구성 요소를 포함할 수 있다. 이러한 시스템에서, 감지 전극 세트(들)(12C)는 DLPFC의 표면과 접촉할 수 있는 Ecog 유형(임의의 알려진 유형) 전극 어레이일 수 있거나, 피아(pia) 또는 경막(dura)을 덮을 수 있지만, Lieber등에 의한 논문에 개시된 유연한 메쉬형 전극 어레이 및 피질 조직 내에 이식될 수 있는 상기 협력자(coworkers) 중 하나일 수 있다. Utah 어레이들은 또한 DLPFC의 피질 조직으로 관통함으로써 DLPFC를 감지/자극하는데 사용될 수 있다. 상기에서 상세하게 개시된 바와 같이 DLPFC를 감지 및 자극하기 위해 스텐트로드(stentrode) 어레이가 사용될 수도 있다.
단일 전극 세트 또는 전극 어레이(예를 들어, 감지 전극 세트(들)(12C)와 같은)는 DLPFC에서 감지 및 자극 모두에 충분할 수 있지만, 이는 본 발명의 이러한 실시예 및 사용될 수 있는 전극 어레이들의 전극 세트의 하나 이상의 세트를 실행하기 위해 필수적이지는 않다. 일부 실시예는 DLPFC에서 감지를 위한 단일(또는 복수의) 전극 세트 및 DLPFC로 자극의 전달을 위한 또 다른(또는 다른 복수의) 전극 세트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, Ecog 타입 전극 세트는 감지/기록을 위해 사용될 수 있고, DLPFC의 자극을 위해 사용될 수 있는 n개의 이식된 유연한 메쉬 형태 전극 세트를 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이식된 메쉬 형태 유연한 전극 어레이는 감지를 위해 사용될 수 있고, 스텐트로드는 DLPFC의 뇌 혈관에 배치될 수 있다. 임의의 이러한 적절한 전극 세트의 유형들 및 개수의 치환(permutations) 및 변경은 여기에 개시된 인지 능력을 증가/강화/향상하기 위한 DLPFC를 자극하고 감지하기 위한 시스템을 구현하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 이러한 시스템은 정상 사용자뿐만 아니라 전술한 바와 같이 신경 및/또는 정신 및/또는 신경 정신 장애 및/또는 장애를 갖는 환자에 사용될 수 있다.
명확화를 위해 개별 실시예들의 문맥에서 설명된 본 발명의 특정 특징들은 단일 실시예에서 조합하여 제공될 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다. 반대로, 간략화를 위해, 단일 실시예의 문맥에서 개시된 본 발명의 다양한 특징은 개별적으로 또는 본 발명의 임의의 다른 설명된 실시예에서 임의의 적절한 서브조합(subcombination) 또는 적절하게 제공될 수 있다. 다양한 실시예들의 문맥에서 설명된 특정 특징들은 실시예가 이러한 요소 없이는 작동하지 않는다면, 이러한 실시예의 필수적인 특징으로 간주되어서는 안된다.
아래의 청구 범위에서 청구되고 상술하고 기술된 본원의 다양한 실시예와 태양은 아래의 예에서 실험적 뒷받침을 발견한다.
본 명세서에서 언급된 모든 간행물, 특허 및 특허 출원은 각각의 개별 간행물, 특허 또는 특허 출원이 참조로서 여기에 구체적으로 및 개별적으로 표시된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로서 전체적으로 통합될 수 있다. 또한, 본 출원에서 임의의 참조 문헌의 인용 또는 식별은 본 발명에 대한 선행 기술로써 이용가능한 참조로서 인정된다고 해석해서는 안된다. 섹션 표제가 사용되는 범위에, 그들은 반드시 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (48)

  1. 사용자의 인지(cognitive) 능력을 보강 및 / 또는 보조 및 / 또는 개선하기 위한 뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI) 시스템에 있어서,
    사용자의 하나 이상의 피질 영역에서의 신경 전기 활동과 관련된 신호를 감지하고 하나 이상의 표적 뇌 영역에 자극 신호를 제공하기 위한 하나 이상의 전극 세트;
    하나 이상의 전극 세트와 통신하는 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러, 및
    BCI 시스템에 전원을 공급하기 위한 적어도 하나의 전원을 포함하며,상기 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러는 인지 작업을 수행하기 위한 의도와 관련되는 표지(indication)의 검출 및 / 또는 인지 작업의 제시 및 / 또는 인지 작업의 수행을 위해 하나 이상의 피질 영역에서 감지된 신호를 처리하며, 그리고 상기 사용자의 인지 능력의 보강 및 / 또는 보조 및 / 또는 향상시키기 위한 상기 표지의 검출에 응답하여 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역의 자극을 제어하도록 프로그램 되는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역은,
    사용자의 하나 이상의 뇌 심부 구조,
    사용자의 하나 이상의 피질 영역, 및
    하나 이상의 피질 영역과 하나 이상의 뇌 심부 구조의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 시스템.
  3. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 피질 영역은 전액골 피질(prefrontal cortex, PFC), 상기 전액골 피질의 일부, 배외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC), 상기 배외측 전전두피질의 일부, 측두두정 피질(temporoparietal cortex, TPC), 상기 측두두정 피질의 일부, 하전두이랑 (inferior frontal gyrus, IFG), 상기 하전두이랑의 일부, 측두 두정 연접부(temporal parietal junction, TPJ), 상기 측두 두정 연접부의 일부 및 이들의 임의의 조합을 포함하는 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 하나 이상의 뇌 심부 구조는 복측피개영역(ventral tegmental area, VTA), 선조체(striatum), 미상핵(caudate nucleus), 조가비핵(putamen), 측좌 핵(nucleus accumbens, NA), 청반(locus ceruleus), 해마(hippocampus), 편도체(amygdala), 중변연계(meso-limbic system)의 뇌 심부 구조, 학습, 기억 및 집중을 강화 및 / 또는 촉진하는데 기능적으로 참여하는 뇌 심부 구조, 뇌의 피질 하부 영역, 흑질(substantia nigra), 배후 선조체(dorsal striatum), 중뇌 피질계(mesocortical system)내의 변연 구조물의 일부, 흑질 선조체 시스템(nigrostriatal system)의 일부, 결절 누두계(teberoinfundibular system)의 일부, 뇌궁(fornix), 마이네르트 기저핵(nucleus basalis of Meynert, NBM), 미상핵(anterior caudate nucleus), 배후 선조체(dorsal striatum), 시상전핵(anterior thalamic nucleus), 중심 시상(central thalamus), 외측 시상하부(lateral hypothalamus), 슬하대상영역(subgenual cingulated region)(BA25), 내후각 피질(enthorinal cortex), 해마 관통로(perforant path), 중앙 전두엽(medial frontal lobe), 시상하핵(subthalamic nucleus) 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 인지 능력은 주의 집중 능력, 기억 능력, 단기 메모리 능력, 학습 능력, 기억 검색 능력, 업무 기억 능력 및 이들의 임의의 조합 중 하나 이상을 포함하는 시스템.
  6. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인지 작업은 주의 집중 작업, 주의 유지 작업, 기억 작업, 단기 기억 요구 작업, 학습 작업, 기억 검색 작업 및 이들의 임의의 조합에서 선택되는 시스템.
  7. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사용자는 정상 사용자 및 신경 장애, 정신 장애 또는 신경 정신병 장애를 갖는 사용자로부터 선택되는 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 신경 장애 또는 정신 장애 또는 신경-정신병 장애는 ADHD, ADD, 학습 결핍, 주의 관련 결핍 또는 기능 이상, 기억 상실, 기억 관련 기능 이상, 불안, 우울증, 외상성 뇌 손상, 뇌졸중, 치매, 신경 변성 장애 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 시스템.
  9. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극 세트는 시각 피질 영역, 일차 시각 피질 영역(V1), 시각 피질의 내측두엽, 운동 피질 영역, 전 운동 피질 영역, 몸 감각 피질 영역, 청각 피질 영역, 우측 피질 후두엽의 근심 표면, 연관 피질, 일차 시각 피질, 시각 피질의 다른 영역, 청각 피질, 운동 피질, BA17, BA18, BA19, BA7, BA6, BA5, BA4 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 상기 사용자의 하나 이상의 추가 피질 영역에서의 신경 전기 활동을 감지하고 및 / 또는 자극하도록 구성되는 시스템.
  10. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극 세트는 비 침습성 전극 세트, 침습성 전극 세트 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 시스템.
  11. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극 세트는,
    하나 이상의 피질 영역에서 감지를 수행하고 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역을 자극하도록 구성된 적어도 하나의 감지 및 자극 전극 세트,
    하나 이상의 피질 영역에서 감지를 수행하도록 구성된 적어도 하나의 감지 전극 세트 및 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역을 자극하기 위한 적어도 하나의 자극 전극 세트,
    하나 이상의 피질 영역에서 감지를 수행하고 상기 하나 이상의 피질 영역의 적어도 하나의 피질 영역을 자극하도록 구성된 적어도 하나의 전극 세트, 및
    DLPFC에서 감지하고 상기 DLPFC를 자극하도록 구성된 적어도 하나의 전극 세트로부터 선택되는 시스템.
  12. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극 세트는,
    하나 이상의 피질 영역에서의 신경 전기 활동과 관련된 신호를 감지하도록 구성된 적어도 하나의 전극 세트와, 측두부 간섭(TI) 전기장을 사용하여 하나 이상의 뇌 심부 구조를 자극하도록 구성된 적어도 하나의 전극 세트와,
    하나 이상의 피질 영역에서의 신경 전기 활동과 관련된 신호를 감지하고 측두부 간섭(TI) 전기장을 사용하여 하나 이상의 뇌 심부 구조를 자극하도록 구성된 적어도 하나의 전극 세트로부터 선택되는 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극 세트는 2 이상의 전극을 포함하는 전극 어셈블리, 다중 전극 어레이, 이식 가능한 전극 어레이, 주사 가능한 메쉬 전극 어레이, 다중화 가능한 전극 어레이, 플렉서블 전극 어레이, 피질 표면에 적용 가능한 플렉서블 전극 어레이, 선형 전극 어레이, Ecog 표면 전극 어레이, μEcog 전극 어레이, 피질 내 삽입 가능한 전극 어레이, 스텐트 전극, 스텐트 전극 어레이, 신경 먼지(neural dust) 감지 디바이스, EEG 전극, 상기 두피의 아래에 이식된 전극을 2 개 이상 포함하는 전극 세트, 비 침습적 경두개 주파수 간섭 자극(NTIS)을 수행하도록 구성된 전극 세트, 두개 내 주파수 간섭 자극을 수행하도록 구성된 전극 세트 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 신경 전기 활동과 관련된 신호는 세포 외 기록 된 단일 신경 세포 활동 전위, 세포 외 기록된 전기장 전위 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 시스템.
  15. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 외부 텔레메트리 유닛과 무선 통신하기 위해 상기 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러와 통신하는 텔레메트리 유닛을 더 포함하는 시스템.
  16. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러는 사용자의 두개골 외부의 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러, 적어도 하나의 두개 내(intracranial) 프로세서 / 컨트롤러, 적어도 하나의 웨어러블 프로세서 컨트롤러,　 적어도 하나의 원격 프로세서 / 컨트롤러, 적어도 하나의 디지털 신호 프로세서(DSP), 적어도 하나의 그래픽 처리 장치(GPU), 적어도 하나의 양자 컴퓨팅 장치(QCD), 양자 컴퓨터 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 시스템.
  17. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표지는,
    베타 주파수 대역에서 계산된 가중 위상 지연 지수(wPLI)의 변경,
    감마 주파수 대역에서의 계산된 스펙트럼 전력(Pγ)의 변경 및 베타 주파수 대역에서 하나 이상의 전극 쌍에서 감지된 피질 전기적 활동의 베타 주파수 대역에서의 계산된 wPLI의 변경 및 감마 주파수 대역에서의 스펙트럼 전력의 변경으로부터 선택되는 시스템.
  18. 이전 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전원은, 사용자의 두개골 외부의 적어도 하나의 전원, 적어도 하나의 두개 내 전원, 적어도 하나의 웨어러블 전원, 두개 외부 전원으로부터 전력을 무선으로 수신하기 위한 적어도 하나의 두개 내 전력 수신기,　두개 외부 전원으로부터 전력을 무선으로 수신하고 저장하기 위한 적어도 하나의 두개 내 전력 수신기,　두개 외부적(extracranially)으로 배치된 유도 코일로부터 전력을 수신하도록 고안된 적어도 하나의 두개 내에 이식된 유도 코일 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 시스템.
  19. 사용자의 인지 능력을 보강 및 / 또는 보조 및 / 또는 개선하기 위한 방법으로서,
    하나 이상의 피질 영역에서의 신경 활동과 관련된 신호를 감지하는 단계;
    인지 작업을 수행하기 위한 의도 및 / 또는 인지 작업의 제시 및 / 또는 인지 작업의 수행과 관련된 표지를 검출하기 위해 상기 신호를 처리하는 단계; 및
    사용자의 인지 능력을 향상 및 / 또는 개선 및 / 또는 보조하기 위한 표지의 검출에 응답하여 상기 사용자의 하나 이상의 표적 뇌 영역을 자극하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역은,
    하나 이상의 뇌 심부 구조,
    하나 이상의 피질 영역, 및
    하나 이상의 뇌 심부 구조와 하나 이상의 피질 영역의 조합으로부터 선택되는 방법.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서, 상기 사용자는 정상 사용자 및 신경 장애 및 / 또는 정신 장애 및 / 또는 신경 정신병 장애를 가진 사용자로부터 선택되는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 사용자는 신경 장애 및 / 또는 정신 장애 및 / 또는 신경 정신병 장애를 가진 사용자이고, 상기 자극하는 단계는 상기 자극하는 단계가 수행되지 않을 때의 상기 사용자의 인지 능력과 비교하여 상기 사용자의 인지 능력을 향상시키는 방법.
  23. 제 21 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신경 장애 및 / 또는 정신 장애 및 / 또는 신경 정신병 장애는 ADHD, ADD, OCD, 불안, 우울증, 학습 결핍증, 기억 상실, 외상성 뇌 손상, 뇌졸중, 치매, 신경 퇴행성 장애 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 방법.
  24. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서, 상기 사용자는 정상적인 사용자이고, 상기 자극하는 단계는 상기 자극하는 단계가 수행되지 않을 때의 상기 사용자의 인지 능력과 비교하여 상기 사용자의 인지 능력을 향상시키는 방법.
  25. 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 피질 영역은 전액골 피질(prefrontal cortex, PFC), 상기 전액골 피질의 일부, 배외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC), 상기 배외측 전전두피질의 일부, 측두두정 피질(temporoparietal cortex, TPC), 상기 측두두정 피질의 일부, 하전두이랑 (inferior frontal gyrus, IFG), 상기 하전두이랑의 일부, 측두 두정 연접부(temporal parietal junction, TPJ), 상기 측두 두정 연접부의 일부 및 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법.
  26. 제 19 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지하는 단계는, 시각 피질 영역, 일차 시각 피질 영역(V1), 시각 피질의 내측두엽, 운동 피질 영역, 전 운동 피질 영역, 몸 감각 피질 영역, 청각 피질 영역, 우측 피질 후두엽의 근심 표면, 연관 피질, 일차 시각 피질, 시각 피질의 다른 영역, 청각 피질, 운동 피질, BA17, BA18, BA19, BA7, BA6, BA5, BA4 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 상기 사용자의 하나 이상의 추가 피질 영역에서의 신경 전기 활동을 감지하고 및 / 또는 자극하는 단계를 더 포함하고, 상기 처리하는 단계는 인지 작업을 수행하려는 의도 및 / 또는 인지 작업의 제시와 관련된 표지를 검출하기 위해 상기 추가 피질 영역에서 감지된 신호를 처리하는 단계 및 / 또는 인지 작업을 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
  27. 제 20 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 뇌 심부 구조는 복측피개영역(ventral tegmental area, VTA), 선조체(striatum), 미상핵(caudate nucleus), 조가비핵(putamen), 측좌 핵(nucleus accumbens, NA), 청반(locus ceruleus), 해마(hippocampus), 편도체(amygdala), 중변연계(meso-limbic system)의 뇌 심부 구조, 학습, 기억 및 집중을 강화 및 / 또는 촉진하는데 기능적으로 참여하는 뇌 심부 구조, 뇌의 피질 하부 영역, 흑질(substantia nigra), 배후 선조체(dorsal striatum), 중뇌 피질계(mesocortical system)내의 변연 구조물의 일부, 흑질 선조체 시스템(nigrostriatal system)의 일부, 결절 누두계(teberoinfundibular system)의 일부, 뇌궁(fornix), 마이네르트 기저핵(nucleus basalis of Meynert, NBM), 미상핵(anterior caudate nucleus), 배후 선조체(dorsal striatum), 시상전핵(anterior thalamic nucleus), 중심 시상(central thalamus), 외측 시상하부(lateral hypothalamus), 슬하대상영역(subgenual cingulated region)(BA25), 내후각 피질(enthorinal cortex), 해마 관통로(perforant path), 중앙 전두엽(medial frontal lobe), 시상하핵(subthalamic nucleus) 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 방법.
  28. 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극하는 단계는,
    상기 사용자의 인지 능력을 향상시키기 위해 하나 이상의 뇌 심부 구조를 자극하는 단계,
    상기 사용자의 인지 능력을 향상시키기 위해 하나 이상의 뇌 심부 구조 및 하나 이상의 피질 영역을 자극하는 단계, 및상기 사용자의 인지 능력을 향상시키기 위해 하나 이상의 피질 영역을 자극하는 단계로부터 선택되는 방법.
  29. 제 19 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극하는 단계는 전액골 피질(prefrontal cortex, PFC), 상기 전액골 피질의 일부, 배외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC), 상기 배외측 전전두피질의 일부, 측두두정 피질(temporoparietal cortex, TPC), 상기 측두두정 피질의 일부, 하전두이랑 (inferior frontal gyrus, IFG), 상기 하전두이랑의 일부, 측두 두정 연접부(temporal parietal junction, TPJ), 상기 측두 두정 연접부의 일부 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 하나 이상의 피질 영역을 자극하여 상기 사용자의 인지 능력을 강화 및 / 또는 증대 및 / 또는 개선하는 단계를 포함하는 방법.
  30. 제 19 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지하는 단계, 상기 처리하는 단계 및 상기 자극하는 단계는 자동으로 수행되는 방법.
  31. 제 19 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사용자가 상기 감지하는 단계, 상기 처리하는 단계 및 상기 자극하는 단계로부터 선택된 하나 이상의 단계를 제어하는 방법.
  32. 제 19 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사용자의 시각 피질을 자극하여 상기 사용자가 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)의 가상 이미지를 인지하게 하는 단계,
    운동을 수행하기 위한 자발적인 의도 또는 움직임을 수행하거나 움직임을 수행하는 상상과 관련된 상기 사용자 신호의 운동 피질을 감지하는 단계, 및
    상기 그래픽 사용자 인터페이스의 가상 이미지와의 상호 작용을 수행하여 감지, 처리 및 자극하는 단계들로부터 선택된 하나 이상의 단계들의 수행을 제어하기 위해 상기 운동 피질에서 감지된 신호들을 처리하는 단계를 더 포함하는 방법.
  33. 제 19 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리하는 단계는, 커널 분석, 주성분 분석, 스펙트럼 분석법, 공통 공간 패턴법(common spatial patterns method, CSP), 분석 CSP (ACSP), 시간 영역 분석 방법, 주파수 영역 분석 방법, 감시 패턴 분류 방법, 클러스터 탐색 방법, 우도 함수 및 통계적 결정 방법을 이용하여 처리하는 단계를 포함하는 방법.
  34. 제 19 항에 있어서, 상기 인지하는 및 상기 자극하는 단계는 배외측 전전두피질에서 수행되는 방법.
  35. 제 19 항 내지 제 32 항 및 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리하는 단계는 다수의 전극 쌍들에 대한 전력 스펙트럼 데이터를 얻기 위해 상기 감지된 신호들의 푸리에 변환 (FT)을 계산하는 단계, 상기 데이터에 대해 위상 커플링 분석을 수행하여 가중된 위상 지연 인덱스(wPLI)를 계산하는 단계; 상기 계산된 wPLI를 임계값과 비교하는 단계 및 상기 계산된 wPLI가 상기 임계값보다 작은 것을 검출할 때 상기 사용자의 상기 하나 이상의 목표 뇌 영역을 자극하는 단계를 개시하는 단계를 포함하는 방법.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 자극하는 단계를 개시하는 단계는 상기 검출시 시작되는 시간 지연 기간 후에 자극하는 단계를 개시하는 단계를 포함하는 방법.
  37. 제 35 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극하는 단계는 상기 자극하는 단계의 지속 기간 동안 상기 감지하는 단계를 중단하는 단계를 포함하는 방법.
  38. 제 19 항 내지 제 32 항 및 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리하는 단계는, 전력 스펙트럼 데이터를 획득하기 위해 상기 감지된 신호들의 푸리에 변환(FT)을 계산하는 단계, 상기 전력 스펙트럼으로부터 감마 주파수 대역 값에서의 스펙트럼 전력(Pγ)을 계산하는 단계, 상기 계산된 Pγ를 임계값과 비교하는 단계 및 상기 Pγ가 상기 임계값보다 작거나 같은 것을 검출할 때 상기 자극하는 단계를 개시하는 단계를 포함하는 방법.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 자극하는 단계를 개시하는 단계는 상기 검출시 시작된는 시간 지연 기간 후에 자극하는 단계를 개시하는 단계를 포함하는 방법.
  40. 제 38 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극하는 단계는 상기 자극하는 단계의 지속 기간 동안 상기 감지하는 단계를 중단하는 단계를 포함하는 방법.
  41. 사용자의 인지 능력을 보강 및 / 또는 보조 및 / 또는 개선하기 위한 뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI) 시스템에 있어서,
    사용자의 하나 이상의 피질 영역에서의 신경 전기 활동과 관련된 신호를 감지하기 위한 하나 이상의 감지 장치;
    사용자의 하나 이상의 뇌 심부 구조, 사용자의 하나 이상의 피질 영역 및 적어도 하나의 피질 영역과 뇌 심부 구조의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 표적 뇌 영역에 자극 신호를 제공하기 위한 하나 이상의 자극 장치;
    하나 이상의 감지 장치 및 하나 이상의 자극 장치와 통신하는 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러, 및
    BCI 시스템에 전원을 공급하기위한 적어도 하나의 전원을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 프로세서 / 컨트롤러는 인지 작업을 수행하려는 의도 및 / 또는 인지 작업의 제시 및 / 또는 인지 작업의 수행과 관련된 표지를 검출하기 위해 하나 이상의 피질 영역에서 감지된 신호를 처리하도록 프로그램되며, 및 / 또는 상기 사용자의 인지 능력을 향상 및 / 또는 보조 위해 상기 표지를 검출하는 것에 응답하여 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역의 자극을 제어하는 BCI시스템.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 하나 이상의 감지 장치는 상기 하나 이상의 피질 영역 내의 전기적 활동과 관련된 전기 신호를 감지하도록 구성된 전극을 포함하는 BCI 시스템.
  43. 제 41 항 또는 제 42 항에 있어서, 상기 하나 이상의 자극 장치는 전기 자극 신호를 상기 표적 뇌 영역에 적용하도록 구성된 전극을 포함하는 BCI 시스템.
  44. 제 41 항에 있어서, 상기 하나 이상의 감지 장치의 적어도 하나의 감지 장치는 상기 하나 이상의 피질 구역에서의 전기적 활동과 관련된 전기 신호를 감지하도록 구성된 하나 이상의 전극 세트를 포함하고, 상기 하나 이상의 자극 장치의 적어도 하나의 자극 장치는 하나 이상의 표적 뇌 영역을 전기적으로 자극하기 위해 상기 하나 이상의 표적 뇌 영역에 전기 신호를 인가하도록 구성된 하나 이상의 전극 세트를 포함하는 BCI시스템.
  45. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표지는,
    하나 이상의 주파수 대역에서 감지된 신호의 위상 변경,
    하나 이상의 주파수 대역에서 감지된 신호의 계산된 스펙트럼 전력의 변경, 및
    이들의 임의의 조합을 포함하는 BCI시스템.
  46. 제 45 항에 있어서, 상기 주파수 대역은 델타(delta) 대역, 쎄타(theta) 대역, 뮤(mu) 대역, 알파(alpha) 대역, 베타(beta) 대역 및 감마(gamma) 대역, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 BCI시스템.
  47. 제 19 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표지는,
    하나 이상의 주파수 대역에서 감지된 신호의 위상 변경,
    하나 이상의 주파수 대역에서 감지된 신호의 계산된 스펙트럼 전력의 변경, 및이들의 임의의 조합을 포함하는 방법.
  48. 제 47 항에 있어서, 상기 주파수 대역은 델타(delta) 대역, 쎄타(theta) 대역, 뮤(mu) 대역, 알파(alpha) 대역, 베타(beta) 대역 및 감마(gamma) 대역, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는 방법.
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