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두뇌의 가능성을 연구하는 새로운 연구들의 등장

과학자들이 인간 두뇌를 모델로 한 컴퓨터 개발에 진전을 이루고 있다는 점은 익히 하는 사실일 것이다. 그러나 그와 동시에 다른 방향의 연구가 그 반대의 목적을 이루기 위해 진행되고 있..


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New Research Raises Stimulating Possibilities for the Brain
 
Scientists are making significant progress toward developing computers that are modeled on the human brain.  At the same time, a different line of research is targeting the opposite goal?to make it just as easy to reboot the human brain as it is to turn on a computer.


The brain processes information in the form of electricity.  Dramatic new research, published in several peer-reviewed journals, indicates that stimulating the brain with electricity may provide effective treatments for schizophrenia, Parkinson’s, Alzheimer’s, Tourette syndrome, autism, depression, and other cognitive conditions.  Other studies show that it can boost creativity and memory.
 
Before we explore those studies, you’ll need a very brief overview of the technologies the researchers are using.  According to the website for the Brain Stimulation Program at Johns Hopkins Medicine, the new stimulation therapies “directly regulate brain function without producing the cognitive side-effects associated with ECT.”  ECT (electroconvulsive therapy) is a proven, time-tested method for treating depression that hasn’t responded to medication, and Hopkins uses ECT to treat hundreds of patients every year.


The new treatments are:1


-  Deep brain stimulation (DBS), which involves implanting electrodes in specific parts of the brain that are linked to the disease. The FDA has approved DBS as a treatment for essential tremor, Parkinson’s disease, dystonia, and chronic and severe obsessive-compulsive disorder, while clinical trials are underway on patients with Alzheimer’s and depression.  But according to the journal Cell, the surgery to implant the electrodes exposes the patient to the risks including brain hemorrhage and infection.


-  Transcranial magnetic stimulation (TMS) does not require surgery. Instead of implanting electrodes in the brain, the doctor places an electromagnetic induction coil on the patient’s head.  The coil sends short, painless magnetic pulses, which are exactly like those created by MRI machines, into the part of the brain that is associated with the patient’s disorder.
 
-  Transcranial direct current stimulation (tDCS), like TMS, is a painless non-surgical procedure. The doctor places two electrodes over the patient’s head, and the electrodes transmit direct electrical currents to stimulate specific parts of the brain.  TCDS can be used to either increase or decrease the activity of brain cells, depending on whether those cells could prevent the problem or are the cause of it.
 
Now that we’ve outlined the technologies, let’s look at the latest research, beginning with studies on psychiatric disorders and brain diseases.


According to the American Association of Neurological Surgeons, Laura Salgado Lopez, MD studied seven patients with schizophrenia who were treated with deep brain stimulation.2  In four cases, the electrodes were implanted in the patients’ nucleus accumbens, and in the other three the treatment targeted the subgenual area, in order to test two different theories of which part of the brain would best respond to DBS.


Although the study won’t be completed until later this year, Lopez won an award for her research, which so far has found that all of the patients in both groups improved by reducing their “social isolation type symptoms and auditory hallucinations.”


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Similarly, Krystal Parker of the University of Iowa Neuroscience Institute is studying the cerebellum, the brain region located at the base of the skull just above the spinal column, to determine if stimulation would reduce the symptoms of schizophrenia and other diseases that impair people’s ability to think, concentrate, and plan.


Parker and colleague Nandakumar Narayanan found that stimulating the cerebellum in rats with schizophrenia-like thinking problems normalizes brain activity in the frontal cortex and corrects the rats’ ability to estimate the passage of time, which is a cognitive deficit that is characteristic in people with schizophrenia.


As Parker explained, “Cerebellar interactions with the frontal cortex in cognitive processes has never been shown before in animal models.  In addition to showing that the signal travels from the cerebellum to the frontal cortex, the study also showed that normal timing behavior was rescued when the signal was restored.”


The study, which was published in the journal Molecular Psychiatry, suggests cerebellar stimulation might help improve cognitive problems in patients with schizophrenia.3


The researchers recorded brain activity from the frontal cortex of nine patients with schizophrenia and nine healthy controls while they performed a timing task where they had to estimate the passage of twelve seconds.  The hypothesis is that timing is a window into cognitive function, such as working memory, attention, and planning, which go haywire in patients with schizophrenia.


Compared to healthy individuals, patients with schizophrenia performed poorly on the timing task.  They also lacked a low-frequency burst of brain activity?called the delta brain wave?that occurs right at the start of the trial in healthy subjects.


In schizophrenia, dopamine signaling in the frontal cortex is abnormal.  By blocking dopamine signaling in the frontal cortex of rats, the team was able to reproduce the schizophrenia-like timing problems in the animals.


Next, the researchers stimulated the rats’ cerebellar region at the delta wave frequency of 2 Hz.  This stimulation restored normal delta wave activity in the rats’ frontal cortex and normalized the rats’ performance on the timing test.


The findings explain how cerebellar stimulation might have a therapeutic benefit in schizophrenia.  Parker adds that the research may also inspire new cerebellar-targeted pharmacological treatments for schizophrenia.


Meanwhile, according to the Journal of Neurosurgery, researchers at NYU Langone Medical Center found that DBS decreases tics, or involuntary movements and vocal outbursts, in young adults with severe Tourette syndrome.4


In many Tourette syndrome patients, the symptoms become so severe that they become socially isolated and unable to work or attend school.  Alon Mogilner, MD, PhD, director of the university’s Center for Neuromodulation, explains, “Our study shows that deep brain stimulation is a safe, effective treatment for young adults with severe Tourette syndrome that cannot be managed with current therapies.  This treatment has the potential to improve the quality of life for patients who are debilitated through their teenage years and young adulthood.”


Mogilner and his colleague, Michael H. Pourfar, MD, insert two electrodes into a region of the brain called the medial thalamus, part of the brain circuit that functions abnormally in Tourette’s.  During a second surgery, a pacemaker-like device called a neurostimulator was connected to the electrodes to emit electrical impulses into the medial thalamus.


The study followed thirteen patients.  The researchers measured the severity of tics before and after surgery using the Yale Global Tic Severity Scale.
They found that the severity of tics decreased on average 37 percent from the time of the operations to the first follow-up visit.  At their latest visit, patients’ tic scores decreased by an average of 50 percent.


More importantly, all patients reported in a survey six months after surgery that their symptoms improved either “much” or “very much,” and all said they would have the surgery again.

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Another study indicates that DBS helps people with Alzheimer’s disease.  A team of researchers led by Dr. Andres Lozano at the Toronto Western Hospital studied forty-two patients who were implanted with DBS electrodes directed at the fornix, a bundle of nerve fibers in the brain that carry signals from the hippocampus.


To better measure the impact of electrical stimulation in the brain, patients were then randomly assigned to either the “on” or “off” stimulation group and monitored for the twelve months following their procedure.  Once the trial follow up was complete, all patients then had their electrodes turned on.
Results from the trial, published in the Journal of Alzheimer’s Disease, showed that DBS stimulation of the fornix continues to be safe and that, although overall there were no differences in cognitive outcomes between the “on” and “off” study participants, those sixty-five years of age and older appeared to experience slower cognitive decline as a result of the treatment.5


Another finding of interest was that the brain’s ability to metabolize glucose increased over the year-long study period in patients receiving electrical stimulation, indicating that the brain networks made dysfunctional by Alzheimer’s improved in some ways.


According to Lozano, “We are encouraged by these findings as they indicate we are headed in the right direction with our research on DBS as a treatment for Alzheimer’s disease.  We now have a better idea of which patients will benefit most from this treatment and how the stimulation might slow the progression of Alzheimer’s.  The next phase of our research will focus on determining what stimulation dosage will have the most impact against this disease.”


Meanwhile, scientists are discovering that stimulating the brains of healthy people can improve creativity.  A team of researchers at Queen Mary University of London and Goldsmiths University of London used transcranial direct current stimulation to temporarily suppress a key part of the frontal brain called the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), which is involved in thinking and reasoning.


The results, published in the journal Scientific Reports, show that participants who received the intervention showed an enhanced ability to “think outside the box.”6


According to the study’s first author, Dr. Caroline Di BernardiLuft, “We solve problems by applying rules we learn from experience, and the DLPFC plays a key role in automating this process.  It works fine most of the time, but fails spectacularly when we encounter new problems that require a new style of thinking?our past experience can indeed block our creativity.  To break this mental fixation, we need to loosen up our learned rules.”


The researchers used tDCS to send a weak constant electrical current through electrodes positioned over the scalp to either suppress or activate the DLPFC.


Sixty participants were tested on their creative problem-solving ability before and after receiving one of the following interventions:  DLPFC being suppressed, DLPFC being activated, and DLPFC being unstimulated.


The participants solved “matchstick problems,” some of which are hard, because to solve these problems, participants need to relax the learned rules of arithmetic and algebra.


The participants whose DLPFC was temporarily suppressed by the electrical stimulation were more likely to solve hard problems than other participants whose DLPFC was activated or not stimulated.


This demonstrates that suppressing DLPFC briefly can help breaking mental assumptions learned from experience and thinking outside the box.
In a similar study, a team of researchers led by Georgetown psychology professor Adam Green and Dr. Peter Turkeltaub of Georgetown University Medical Center used tDCS to stimulate the frontopolar cortex, an area of the brain known to be associated with creativity.


The subjects who received the treatment formed more creative analogical connections between sets of words, and generated more creative associations between words.


According to Green, who published the results in the journal Cerebral Cortex, “This work is a departure from traditional research that treats creativity as a static trait.  Instead, we focused on creativity as a dynamic state that can change quickly within an individual when they ‘put their thinking cap on.’“7
The researchers wrote that their study demonstrates that tDCS enhances the “conscious augmentation of creativity elicited by cognitive intervention, and extends the known boundaries of tDCS enhancement to analogical reasoning, a form of creative intelligence that is a powerful engine for innovation.”


Based on this intriguing research, we offer the following forecasts:


First, by 2030, this new technology will become at least as common as heart pacemakers.


Unless some major side effect emerges, deep brain stimulation is likely to be used in hospitals to treat severe cases of disorders such as schizophrenia and autism, while tDCS is particularly promising for conditions like depression and Alzheimer’s because the technology is portable, with patients able to wear the electrodes in a cap.


Second, transcranial magnetic stimulation could prove to be the weight-loss solution that hundreds of millions of Americans have been seeking. 
According to research findings presented at ENDO 2017, the Endocrine Society’s 99th annual meeting, TMS helps obese people lose weight, partly by changing the composition of their gut microbiota, or their intestinal bacteria.  LivioLuzi, MD, of Italy’s University of Milan and his colleagues studied whether TMS could improve the gut microbiota?the mix of beneficial and harmful microorganisms that inhabit the digestive tract?in people who are obese.8  After five weeks of treatment, subjects receiving TMS lost more than 3 percent of their body weight and more than 4 percent of their fat, significantly more than controls did, and measures of their beneficial bacteria increased to the levels seen in healthy people, while the controls were unchanged.


Third, tDCS will emerge as an extreme approach to enhancing healthy brains.


The mass-market appeal of a technology that can improve creativity is obvious, and some consumer products have already appeared on the market without FDA approval, such as the Foc.us V2 tDCS Device.  While the research studies we’ve considered suggest that brain stimulation does open people’s minds to new ideas, it isn’t just a matter of strapping on electrodes.  According to researcher Roi Cohen Kadosh “tDCS alone is of little use.  The advantage of it is when it is combined with cognitive training, rather than just applied alone to the brain.”  Because study sample sizes have been so small, researchers haven’t been able to determine how individual differences can affect results, and no one has studied the long-term impact of brain stimulation.  Also, according to an article in Wired, “What you do after a brain zapping session can modify or completely nullify any effects of the electricity.9  Walking around or having specific thoughts is all it takes to potentially reverse the effects.  Research on this problem is still in its infancy, so there’s no way you can know how best to behave after a tDCS session to preserve any potential benefits.  If you enhance mental function in one area, it can actually have a negative impact on another aspect of mental function.  Because the neural effects of tDCS can be long-lasting, what might be advantageous in one situation could therefore leave you impaired in a different context later.”  Clearly more research will need to be done?but with each study scientists are gaining more insights into how to use electricity to improve the functioning of the brain.


References
1. To access overviews of the four brain stimulation therapies, visit the John Hopkins Medicine website at:

http://www.hopkinsmedicine.org/psychiatry/specialty_areas/brain_stimulation/index.htm


2. Science Daily, April 25, 2017, “A Pilot Study of Deep Brain Stimulation in Treatment-Resistant Schizophrenia,” by Laura Salgado Lopez, MD ⓒ 2017 American Association of Neurological Surgeons.  All rights reserved.

http://www.sciencedaily.com/releases/2017/04/170425153818.htm


3. Molecular Psychiatry, May 2017, “Delta-Frequency Stimulation of Cerebellar Projections Can Compensate for Schizophrenia-Related Medial Frontal Dysfunction,” by Krystal Parker, Nandakumar Narayanan, et al. ⓒ 2017 MacMillan Publishers Limited, part of Springer Nature.  All rights reserved.

http://www.nature.com/mp/journal/v22/n5/full/mp201750a.html


4. Journal of Neurosurgery, April 7, 2017, “Deep Brain Stimulation for Tourette Syndrome: A Single-Center Series by Richard Dowd, Michael Pourfar, and Alon Y. Mogilner. ⓒ 2017 American Association of Neurological Surgeons.  All rights reserved.

http://thejns.org/doi/full/10.3171/2016.10.JNS161573


5. Journal of Alzheimer’s Disease, 2016, Vol. 54, Iss. 2, “A Phase II Study of Fornix Deep Brain Stimulation in Mild Alzheimer’s Disease,” by Andres Lozano, et al. ⓒ 2016 IOS Press.  All rights reserved.

http://content.iospress.com/articles/journal-of-alzheimers-disease/jad160017


6. Scientific Reports, June 7 2017, “Relaxing Learned Constraints Through Cathodal tDCS on the Left Dorsolateral Prefrontal Cortex,” by Caroline DiBernardiLuft, et al. ⓒ 2017 Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature.  All rights reserved. 

https://www.nature.com/articles/s41598-017-03022-2


7. Cerebral Cortex, April 2017, Vol. 27, Iss. 4, “Thinking Cap Plus Thinking Zap: tDCS of Frontopolar Cortex Improves Creative Analogical Reasoning and Facilitates Conscious Augmentation of State Creativity in Verb Generation,” by Adam Green, Peter Turkeltaub, et al. ⓒ 2017 Oxford University Press.  All rights reserved.

https://academic.oup.com/cercor/article/27/4/2628/3056344/Thinking-Cap-Plus-Thinking-Zap-tDCS-of-Frontopolar


8. Wired, January 2014, “Read this Before Zapping Your Brain,” Christian Jarrett. ⓒ 2014 Conde Nast.  All rights reserved.

https://www.wired.com/2014/01/read-zapping-brain/










과학자들이 인간 두뇌를 모델로 한 컴퓨터 개발에 진전을 이루고 있다는 점은 익히 하는 사실일 것이다. 그러나 그와 동시에 다른 방향의 연구가 그 반대의 목적을 이루기 위해 진행되고 있다는 사실을 아는가? 이 연구는 컴퓨터의 전원을 켤 때와 마찬가지로 인간의 두뇌를 재부팅하는 것을 수월하는 것이다. 어떠한 새로운 연구들이 진행되고 있는지 알아보자.


알다시피, 두뇌는 정보를 전기 형태로 처리한다. 여러 상호심사 저널들에 발표된 아주 새로운 연구 결과에 따르면, 두뇌를 전기로 자극하면 정신분열증, 파킨슨, 알츠하이머, 뚜렛 증후군, 자폐증, 우울증 및 기타인지 기능을 효과적으로 치료할 수 있다. 또 다른 연구는 인간의 창의성과 기억력을 향상시킬 수 있다고 한다.


우선 이러한 연구를 이해하기 전에, 연구자들이 사용하고 있는 기술들에 대한 간략한 개요를 이해해야 한다. 존스 홉킨스 메디슨(Johns Hopkins Medicine)의 두뇌자극프로그램(the Brain Stimulation Program) 웹사이트에 따르면, 새로운 자극 요법은 ECT와 관련된 인지 부작용을 일으키지 않고 직접적으로 뇌의 기능을 조정한다. ECT는 전기자극요법(electroconvulsive therapy)으로 약물에 반응하지 않는 우울증 치료에 오랜 시간을 통해 유효한 것으로 입증된 치료법이다. 홉킨스 메디슨은 매년 수백 명의 환자들을 치료하는 데 이 ECT를 사용하고 있다.


새로운 자극 요법은 다음과 같다.


- 뇌심부자극(DBS, deep brain stimulation) : 질환과 관련된 두뇌의 특정 부위에 전극을 삽입하는 것을 포함한 요법이다. 미 식품의약국 FDA(Food and Drug Administration)는 본태성 진전(essential tremor), 파킨슨, 근긴장 이상, 만성 및 심한 강박 장애에 대한 치료제로 승인했고, 알츠하이머와 우울증 환자를 대상으로 하는 임상 실험이 진행되고 있다. 그러나 과학 저널 「셀(Cell)」지에 따르면, 전극을 이식하는 수술은 환자에게 뇌출혈과 감염 등의 위험에 노출시킨다.


- 경두개 자기자극법(TMS, transcranial magnetic stimulation) : 이 요법은 수술을 필요로 하지 않는다. 뇌에 전극을 삽입하는 대신 의사는 환자의 머리에 전자기 유도 코일을 배치하는데, 코일은 환자의 장애와 관련된 뇌 부분에 MRI 기기로 생성된 것과 같은 짧고 고통없는 자기 펄스를 전송한다.
 
- 경두개 직류자극법(tDCS, transcranial direct current stimulation): 이것은 TMS와 마찬가지로 통증이 없는 비외과적 수술이다. 의사는 환자의 머리 위에 두 개의 전극을 놓고 전극은 뇌의 특정 부위를 자극하기 위해 직류를 전달한다. tCDS는 두뇌 세포의 활동을 증가 혹은 감소시키는데 사용될 수 있으며, 그러한 세포들이 문제를 예방할 수 있는지 또는 그 문제의 원인인지에 따라 달라질 수 있다.


다음은 정신 질환과 두뇌 질환에 대한 연구부터 시작하여 최신 연구를 살펴 보자.


미국 신경외과학회(the American Association of Neurological Surgeons)에 따르면, 로라 살가도 로페즈(Laura Salgado Lopez) 박사가 DBS로 치료받은 정신 분열증 환자 7명을 연구했다. 4건의 경우 전극이 환자의 핵 내측에 이식됐고, 나머지 3건의 경우 치료는 대뇌피질을 대상으로 했다. 이는 두뇌의 어떤 부위가 DBS에게 최적인지를 알아보기 위해서였다.


연구는 계속 진행 중이지만, 로페즈 박사는 현재까지는 두 그룹의 모든 환자들에게 ‘사회적 소외 형태의 증상과 환청’이 줄어들었다고 밝혔다.


이와 유사하게 아이오와 대학 신경과학연구소(the University of Iowa Neuroscience Institute)의 크리스털 파커(Krystal Parker) 박사는 척수 바로 위, 두개골 하단에 위치한 뇌 영역 소뇌를 연구하고 있다. 생각하고, 집중하고, 계획하는 능력에 손상시키는 정신분열증과 기타 질병의 증상을 자국이 완화시킬 수 있는지 여부를 확인하기 위해서다.


파커와 동료 난다쿠마르 나라야난(Nandakumar Narayanan)은 정신분열증과 같은 사고 계통의 문제를 가진 쥐를 대상으로 한 소뇌 자극이 전두 피질의 두뇌 활동을 정상화시키고, 시간 경과를 측정하는 쥐의 능력을 교정하는 것을 발견했다. 정신분열증을 가진 사람들에게 특징적인 인지 장애가 바로 이 능력의 상실로 인해 발생한다.


파커는 “인지 과정에 있어 전두 피질과 소뇌의 상호작용은 이 동물 모델 이전에는 전혀 나타난 바가 없었다. 연구는 신호가 소뇌에서 전두 피질로 이동한다는 점을 보여준 것과 더불어, 이 신호가 복구되었을 때 정상적인 타이밍의 행동으로 복귀한다는 점을 알려줬다”고 밝혔다.


학술지 「분자정신의학(Molecular Psychiatry)」에 발표된 이 연구는 소뇌 자극이 정신분열증 환자의 인지 문제를 개선하는 데 도움이 될 수 있음을 시사한다.


이들 연구팀은 정신분열증 환자 9명과 건강한 대조군 9명을 대상으로 12초 경과를 측정해야 하는 타이밍 작업을 수행시키면서 이들의 전두 피질의 두뇌 활동을 기록했다. 가설은 타이밍이 작업 기억(working memory, 정보들을 일시적으로 보유하고, 각종 인지적 과정을 계획하고 순서 지으며 실제로 수행하는 작업장으로서의 기능을 수행하는 단기적 기억), 주의력, 계획 능력과 같은 인지 기능을 들여다보는 창(window)이라는 것이었다. 이러한 인지 능력의 문제가 정신분열증 환자에게 나타난다.


건강한 사람들과 비교할 때, 정신분열증 환자들은 타이밍 작업에 저조한 성과를 보였다. 그들은 또한 델타 뇌파로 불리는 두뇌 활동의 저주파 발현이 부족했다. 건강한 사람들은 실험을 시작하자마다 이 저주파가 바로 발현됐다.

정신분열증 환자의 경우, 전두 피질에서의 도파민 신호전달이 비정상적이다. 쥐의 전두 피질에 도파민 신호전달을 차단함으로써, 연구 팀은 정신분열증과 같은 타이밍 문제를 재연할 수 있었다.


다음으로 연구 팀은 2헤르쯔(Hz) 델타 파동 주파수로 쥐의 소뇌 영역을 자극했다. 이 자극은 쥐의 전두 피질에서 정상적인 델타파 활동을 복구시켰고, 타이밍 테스트에서의 쥐의 성적을 정상화시켰다.


연구 결과는 소뇌 자극이 정신분열증에 어떻게 치료 효과를 내는지를 설명한다. 파커는 이 연구가 정신분열증에 대한 새로운 소뇌 표적 약물 치료법에도 영감을 줄 수 있다고 덧붙였다.


한편 「신경외과 저널(Journal of neurosurgery)」에 따르면, 뉴욕대학교 랭원 메디컬 센터(Langone Medical Center)의 연구자들은 DBS가 심각한 뚜렛증후군을 앓고 있는 젊은 성인들에게 나타나는 틱(tics), 비자발적 움직임 및 음성 발작을 잠소시킨다는 점을 발견했다.


수많은 뚜렛증후군 환자들에게 이 증상들은 너무나 심각해서 그들을 사회적으로 고립시키고 일을 하지도 학교에 갈 수도 없게 만든다. 뉴욕대학 신경조절센터(Center for Neuromodulation) 센터장 알론 모길너(Alon Mogilner) 박사는“우리 연구는 DBS가 기존 치료법으로는 진정될 수 없는 심각한 뚜렛증후군을 가진 젊은 성인에게 매우 안전하고 효과적인 치료법임을 보여준다. 이 치료는 10대와 젊은 성인에 이르는 환자들의 삶의 질을 향상시킬 수 있는 잠재력이 있다”고 말했다.


모길너와 그의 동료 마이클 포파(Michael H. Pourfar) 박사는 두 개의 전극을 뇌 회로의 하나인 내측 시상(medial thalamus)이라는 영역에 삽입하는데, 뚜렛증후군의 경우 이곳이 비정상적으로 작동한다. 두 번째 수술을 하는 동안, 신경자극기(neurostimulator)로 불리는, 심박조율기처럼 생긴 장치를 전극에 연결해 전기 임펄스를 내측 시상에 방출한다.


연구원들은 13명의 환자를 통해, '예일 틱 증상 평가척도(Yale Global Tic Severity Scale)를 사용하여 수술 전후의 틱의 정도를 측정했다.


그들은 수술이후 첫 번째 내진까지의 기간에 틱의 정도가 37퍼센트 떨어진 것을 발견했다. 가장 마지막 내진에서 환자들의 점수는 평균 50퍼센트까지 떨어졌다. 무엇보다 중요한 것은 모든 환자가 수술 후 6개월 이내에 틱 증상이 ‘많이’ 혹은 ‘아주 많이’ 개선됐고, 또 수술을 받겠다고 대답했다는 것이다.


또 다른 연구는 DBS가 알츠하이머 환자를 돕는 것으로 나타났다. 토론토 웨스턴 병원(the Toronto Western Hospital)의 안드레스 로자노(Andres Lozano) 박사가 이끄는 연구팀은 해마로부터 신호를 전달하는 두뇌의 신경 섬유 다발인 뇌궁(fornix, , 腦弓)에 직접 DBS 전극을 이식한 42명의 환자를 2년 동안 연구했다.


두뇌에 대한 전기 자극의 영향을 더 잘 측정하기 위해, 연구팀은 치료 이후 환자를 무작위로 ‘켜기’ 또는 ‘끄기’ 자극 그룹으로 나누고 이후 12개월 동안 그들을 모니터링 했다. 이후에는 모든 환자에게 전극을 켜게 한 후, 12개월을 또 모니터링했다.


「알츠하이머 저널(the Journal of Alzheimer’s Disease」에 발표된 이 임상 시험의 결과에 따르면, 뇌궁에 대한 DBS 자극은 계속적으로 안전했고, ‘켜기’와 ‘끄기’의 그룹 간 인지적 결과에 차이는 전체적으로 없는 것으로 나타났다. 또한 65세와 그 이상의 연령대 환자들은 인지 능력의 저하 속도가 더 둔화되는 것으로 나타났다.


또 다른 흥미로운 발견은 전기 자극을 받은 환자들에게 있어 연구 기간 동안 글루코스(glucose, 포도당)을 신진대사 시키는 두뇌 능력이 커졌다는 점이다. 이는 알츠하이머로 기능이 저하된 두뇌 네트워크가 어떤 방식들에 의해 개선됐음을 의미한다.


로자노 박사는 “알츠하이머 환자 치료법으로서 우리의 DBS에 대한 연구와 함께 우리가 올바른 방향으로 나아가고 있다는 의미다. 그래서 우리는 이번 발견에 상당히 고무되어 있다. 우리는 이제 어느 환자가 이 치료에서 가장 큰 효과를 얻는지, 그리고 전기 자극이 알츠하이머의 진행을 어떻게 늦추는 지를 더 잘 알게 됐다. 우리 연구의 다음 단계는 이 병에 가장 효과가 있는 자극의 적정선이 무엇인지를 알아내는 데 집중하는 것이다”라고 말했다.


한편, 과학자들은 건강한 사람들의 두뇌 자극이 창의력을 향상시킬 수 있다는 것을 발견하고 있다. 런던 퀸 메리 대학(Queen Mary University of London)과 런던 골드스미스 대학 (Goldsmiths University of London) 연구진은 사고와 추론에 관여하는 배외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal, DLPFC)로 불리는 젼면 뇌의 핵심 부분을 일시적으로 억제하기 위하여 경두개 직류 자극을 사용했다.


저널 「사이언티픽 레포츠(Scientific Reports) 」에 발표된 결과는 대상 참여자들의 창의적으로 생각하는 능력이 더 향상된 것으로 나타났다.


연구 제1저자 캐롤라인 디 베르나르디 로푸트(Caroline Di Bernardi Luft) 박사는 “우리는 경험에서 배운 규칙을 적용하여 문제를 해결한다. 그리고 DLPFC는 이러한 과정을 자동화하는 데 핵심 역할을 한다. 대부분의 경우 이것은 잘 작동되지만 새로운 형태의 사고를 필요로 하는 새로운 문제와 직면하면, 우리의 과거 경험이 오히려 창의력을 저해한다. 이러한 정신적 고정을 깨기 위해 우리는 학습된 규칙에서 벗어날 필요가 있다”고 말했다.


연구진은 DLPFC를 억제하거나 활성화하기 위해 두피 위에 위치한 전극을 통해 약한 일정한 전류를 보내기 위해 tDCS를 사용했다.


60 명의 참가자들은 다음 중 하나를 받기 전후에 그들의 창의적 문제해결 능력을 테스트 받았다.


- DLPFC 억제
- DLPFC 활성화
- DLPFC 무자극


참가자들은 ‘성냥개비 문제’를 풀었는데, 그중 몇 개는 아무 어려운 문제였다. 이 문제를 해결하려면 참가자는 산술과 대수학의 학습된 규칙을 완화해야했다.


DLPFC가 전기 자극에 의해 일시적으로 억제된 참가자들은 DLPFC가 활성화되거나 자극되지 않은 다른 참가자들보다 어려운 문제를 더 창의적으로 해결하는 것처럼 보였다.


이것은 DLPFC를 잠깐 억제하면 경험으로부터 학습된 정신적 가정을 깨고, 창의적으로 생각할 수 있음을 증명해줬다.


조지타운 대학의 심리학과 아담 그린(Adam Green) 교수와 조지타운대학 메디컬 센터 (Georgetown University Medical Center)의 피터 터켈타우브(Peter Turkeltaub) 박사 팀이 수행한 유사한 연구에서 창의력과 관련있는 것으로 알려진 뇌의 전두극 피질을 자극하기 위해 tDCS를 사용했다.


이러한 실험을 받은 피실험자는 일련의 단어들 간에 더 창의적으로 유사 연결을 보여줬고, 더 창의적인 연관성을 산출해냈다.


저널 「대뇌피질(Cerebral Cortex)」에 결과를 발표한 그린 박사는 “이 연구는 창의성을 고정된 특성으로 다루는 전통적인 연구에서 출발한 것이다. 그러나 우리는 누군가가 심사숙고할 때 그에게서 빠르게 변화할 수 있는 역동적 상태로서의 창의성에 집중했다”고 말했다.


연구진은 tDCS가 의도적으로 간섭하여 창의성이라는 의식을 증대시켰고 창의적 지능의 형태인 ? 강력한 혁신 엔진 - 유추 추리 능력을 향상시켰다고 말했다.


이러한 두뇌에 대한 흥미로운 연구를 통해 우리는 다음과 같이 예측해본다.


첫째, 2030년까지 이러한 새로운 기술들이 심박 조절기처럼 보편화될 것이다.


심각한 부작용이 나타나지 않는 한, 정신분열증, 자폐증과 같은 심각한 장애가 있는 환자를 치료하기 위해 병원에서 심층 뇌 자극을 사용될 것이다. tDCS는 우울증과 알츠하이머에 특히 유망하다. 전극이 삽입된 모자를 환자가 착용할 수 있을 만큼 소형화될 것이기 때문이다.


둘째, 경두개 자기 자극은 수억 명의 미국인들이 찾고 있는 체중 감량 솔루션으로 입증될 수 있다.


미 내분비학회의 99번째 연례회의 ENDO 2017에서 발표된 연구 결과에 따르면 TMS는 장내 미생물군 혹은 장내 박테리아의 구성에 변화를 줌으로써 체중을 ??줄이는 데 도움을 준다. 이탈리아 밀라노 대학의 리비오 루치(Livio Luzi) 박사와 그의 동료들은 TMS가 소화관에 서식하는 비만인 사람들의 - 소화관에 서식하는 유익하고 유해한 미생물의 혼합 - 장내 미생물군을 향상시킬 수 있는지를 연구했다. 5주 간의 실험 후, TMS가 체중의 3퍼센트 이상, 지방의 4퍼센트 이상을 소실시켰고, 유익한 박테리아의 양이 건강한 사람의 수준만큼 높아졌다.


셋째, tDCS는 건강한 두뇌로 향상시키는 접근법으로 부상할 것이다.


창의성을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 대중 시장의 호소는 분명하다. 또한 ‘Foc.us V2 tDCS Device’와 같은 일부 소비 제품이 FDA 승인없이 시장에 이미 출현했다. 연구 결과에 따르면 두뇌 자극은 사람들의 마음으로부터 새로운 아이디어로 이끌어 낸다. 다만, 단순하게 전극을 다는 단순한 문제가 아니다. 신경과학자 로이 코헨 카도시(Roi Cohen Kadosh)에 따르면 tDCS만으로는 거의 쓸모가 없다. 카도시 박사는 두뇌에 단순히 적용하는 것보다는 인지 훈련과 함께 할 때 그 효과를 볼 수 있다고 말한다.


또한 연구의 표본 크기가 너무 작기 때문에 연구자들은 개인적 차이가 결과에 어떤 영향을 줄 수 있는지를 확인할 수 없었다. 또한 누구도 장기간의 두뇌 자극 실험을 수행한 바가 없다. 또한 「와이어드(Wired)」지에 따르면, 두뇌 재핑(Zapping) 세션이 끝난 후 우리가 하는 일이 전기의 영향에 변화를 주거나 혹은 완전히 그 영향이 사라지게 할 수도 있다. 길을 걷거나 특정한 생각에 빠지는 것이 잠재적으로 그 효과를 반전시킬 수 있다. 이 문제에 대한 연구는 초기 단계에 있기 때문에, 잠재적 효과을 보전하기 위해 tDCS 세션 후에 어떻게 행동해야 하는지에 관해서는 딱히 답이 없다. 한 영역에서 정신 기능을 향상시키면 실제로 정신 기능의 다른 측면에 부정적인 영향이 올 가능성도 있다. tDCS의 신경 효과가 오래 지속될 수 있기 때문에 한 가지 상황에서 유리할 수 있는 것이 나중에 다른 상황에서는 장애가 될 수도 있다. 분명히 아직까지는 더 많은 연구가 필요하다. 그러나 각 연구를 통해 과학자들은 전기를 통해 두뇌의 기능을 향살시키는 방법에 관해 더 많은 통찰력을 쌓아가고 있다.


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References List :
1. To access overviews of the four brain stimulation therapies, visit the John Hopkins Medicine website at:
http://www.hopkinsmedicine.org/psychiatry/specialty_areas/brain_stimulation/index.htm


2. Science Daily, April 25, 2017, “A Pilot Study of Deep Brain Stimulation in Treatment-Resistant Schizophrenia,” by Laura Salgado Lopez, MD ⓒ 2017 American Association of Neurological Surgeons.  All rights reserved.
https://www.sciencedaily.com/releases/2017/04/170425153818.htm


3. Molecular Psychiatry, May 2017, “Delta-Frequency Stimulation of Cerebellar Projections Can Compensate for Schizophrenia-Related Medial Frontal Dysfunction,” by Krystal Parker, Nandakumar Narayanan, et al. ⓒ 2017 MacMillan Publishers Limited, part of Springer Nature.  All rights reserved.
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4. Journal of Neurosurgery, April 7, 2017, “Deep Brain Stimulation for Tourette Syndrome: A Single-Center Series by Richard Dowd, Michael Pourfar, and Alon Y. Mogilner. ⓒ 2017 American Association of Neurological Surgeons.  All rights reserved.
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5. Journal of Alzheimer’s Disease, 2016, Vol. 54, Iss. 2, “A Phase II Study of Fornix Deep Brain Stimulation in Mild Alzheimer’s Disease,” by Andres Lozano, et al. ⓒ 2016 IOS Press.  All rights reserved.
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6. Scientific Reports, June 7 2017, “Relaxing Learned Constraints Through Cathodal tDCS on the Left Dorsolateral Prefrontal Cortex,” by Caroline DiBernardiLuft, et al. ⓒ 2017 Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature.  All rights reserved.
https://www.nature.com/articles/s41598-017-03022-2


7. Cerebral Cortex, April 2017, Vol. 27, Iss. 4, “Thinking Cap Plus Thinking Zap: tDCS of Frontopolar Cortex Improves Creative Analogical Reasoning and Facilitates Conscious Augmentation of State Creativity in Verb Generation,” by Adam Green, Peter Turkeltaub, et al. ⓒ 2017 Oxford University Press.  All rights reserved.
https://academic.oup.com/cercor/article/27/4/2628/3056344/Thinking-Cap-Plus-Thinking-Zap-tDCS-of-Frontopolar

8. Wired, January 2014, “Read this Before Zapping Your Brain,” Christian Jarrett. ⓒ 2014 Conde Nast.  All rights reserved.
https://www.wired.com/2014/01/read-zapping-brain/