기능적 근적외선분광을 이용한 신경재활 기술의 기전 규명

Abstract

Patients with motor impairment have many difficulties their activities in daily life. In severe case, they cannot perform any basic body movements without caregivers or assistive devices such as a wheelchair. The motor impairments of these patients may consistently compromise quality of life after damage of their motor functions. Therefore, the many studies related with neurorehabilitation have been reported by many neuroscientists to aid recovery from a nervous system injury. During past decades, various strategies for neurorehabilitation have been developed by many neuroscientists. The most general strategy to help them is to perform passive exercise which assists the patients to overcome motor deficits through repetitive movement practice. Another strategy is to conduct the mental practice which repeatedly require motor imagination to recover the patient’s motor impairments. The positive effect of both passive exercise and mental practice have been shown by several studies. They have revealed favorable improvements in motor outcomes after stroke through mental practice or passive exercise. In spite of the development of various strategies for neurorehabilitation, there still exist several limitations as far as to maximize the benefit of rehabilitation. First, one of these problems is to vary the treatment effect of neurorehabilitation, individually. This inter-individual variability of neurorehabilitation have been shown by several studies. Second, the development of a novel neurorehabilitation strategy still may be essential to maximize the benefit of rehabilitation. The conventional strategies such as passive exercise and mental practice entail a long training period and causes cost issues. Also, the major problem is that its treatment effect is not effective. Aim of this study is to overcome these limitations. First objective was to reveal where the inter-individual variability was originated through the tDCS study, and second objective was to develop the novel neurorehabilitation strategy. Therefore, the author carried out two different studies. Through first study, the author could confirm the feasibility which the individual differences in the tDCS after effects may be originated from the intrinsic difference in the speed of DC stimulation uptake rather than the difference in the capacity of uptaking DC. Additionally, through second study, the author could demonstrate that the fNIRS could be used as a potential tool to monitor how well the users of the neurorehabilitation system performed the given exercise tasks (active exercise or motor imagery during passive exercise). |기능적 근적외선분광 장치는 뇌에서 발생하는 신경활동 및 혈류역학 반응을 측정하는 광학 영상 기술이다. 근적외선분광 장치는 다른 뇌 영상 장치들과 비교하여 가격이 저렴하고 휴대가 간편하며 동잡음 및 전기적 잡음에 덜 민감하다는 장점이 있다. 이러한 근적외선분광 장치의 이점들로 인하여, 뇌-기계 접속, 가상현실, 뉴로마케팅, 신경재활 등과 같은 다양한 분야에서 관련 연구들이 수행되고 있다. 본 연구에서는, 이러한 다양한 연구분야들 중에서 근적외선분광장치를 사용하여 신경재활에 활용될 수 있는 두 가지 연구를 수행하였다. 첫 번째 연구에서는 기능적 근적외선분광기를 사용하여 전류 자극을 가하는 동안과 자극이 종료된 후에 실험용 쥐의 뇌 혈류가 어떠한 형태로 변화하는 지를 정량적으로 관찰했으며, 자극을 가하는 동안에 뇌 혈류량의 상승하는 양상과 자극이 종료된 이후에 뇌 혈류량이 감소하는 양상 사이의 상관관계를 최초로 확인하였다. 7마리 쥐들은 200 uA 크기의 직류 자극을 10분 동안 받았으며, 자극을 가하는 10분 그리고 자극이 종료된 후 10분의 산화 헤모글로빈 신호가 관찰되었다. 자극이 가해지는 동안과 가해진 이후의 산화 헤모글로빈의 변화 양상을 확인하기 위하여 선형 회귀 방법이 적용되었으며, 자극이 가해지는 동안과 가해진 이후의 산화 헤모글로빈의 연관성이 상관분석을 통해 확인되었다. 선형 회귀 분석 결과, 모든 실험용 쥐에서 자극이 가해지는 동안 산화 헤모글로빈이 선형적으로 증가하였고, 자극이 종료된 이후 산화 헤모글로빈이 선형적으로 감소하는 패턴을 확인할 수 있었다. 하지만, 동일한 자극 환경임에도 불구하고 산화 헤모글로빈의 변화하는 정도는 개체마다 다르게 관찰되었다. 일반적으로, 자극 구간에서 산화 헤모글로빈이 증가하는 정도에 비례하여 자극이 종료된 후의 산화 헤모글로빈이 감소하는 양상을 나타내었다. 이러한, 자극 구간과 종료 구간 사이에는 유의미한 음의 상관관계가 존재한다는 것이 상관 분석을 통해 확인되었다 (유의확률 = 0.042). 첫 번째 연구를 통해서, 저자는 최초로 경두개직류자극을 가하는 동안의 뇌 혈류량 변화를 관찰하였으며, 뇌 혈류량의 증가와 감소 패턴 사이의 상관관계를 처음으로 확인하였다. 본 연구의 결과는 경두개직류자극의 효과의 개인차는 자극 대상 뇌의 해부학적 차이 이외에도 동일 자극에 대한 개인별 수용도의 차이, 즉 본질적인 개체의 특성에 기인할 가능성이 높음을 시사한다. 두 번째 연구에서는 근적외선분광장치를 이용하여 수동 운동을 수행할 때와 수동 운동과 함께 능동 운동(운동 심상 포함)을 동시에 수행할 때의 뇌 활성도를 측정하여 정량적으로 비교하였다. 또한, 근적외선분광장치의 데이터로부터 피험자가 재활 프로그램을 수행하는 동안 능동 운동 또는 운동 심상을 적절히 수행하였는지를 판단하기 위해 단일 시행 분류를 수행하였다. 본 연구에서는 8명의 정상인 피험자가 실험에 참여했고, 각 피험자는 서로 다른 3개의 작업을 수행하였다 (1 수동적인 움직임, 2 운동 심상이 있는 수동적인 움직임, 3 능동적인 움직임이 있는 수동적인 움직임). 40개의 채널을 사용하여 운동 영역 부근의 산소 헤모글로빈의 농도 변화가 관찰되었다. 두 번째 연구의 결과로부터, 수동 운동과 능동 운동 또는 운동 심상을 함께 수행하는 경우에 산소 헤모글로빈이 더 컸으며, 더 넓은 영역의 뇌 활성도가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 단일 시행 분류를 수행한 결과 운동 심상 또는 능동적인 움직임을 수동 운동과 함께 수행하는 경우는 수동 운동만을 수행하는 경우와 85% 이상의 높은 분류 정확도로 분류되었다. 본 두 번째 연구 결과들로부터, 수동 운동만을 수행하는 경우와 비교해서 운동 심상 또는 능동적인 움직임을 함께 수행하는 경우가 재활 치료에 효율적이라는 것을 확인할 수 있었으며, 각각의 작업들이 높은 분류 정확도로 분류될 수 있다는 것을 확인하였다. 이러한 분류 결과는 능동 재활 프로그램을 피험자에게 지시했을 때, 피험자가 운동 심상 또는 능동적인 움직임을 잘 수행하고 있는지를 근적외선분광장치를 이용하여 효과적으로 모니터링 할 수 있다는 가능성을 보여준다. 첫 번째, 두 번째 연구의 결과들을 통해서 신경재활을 위한 보다 실용적인 장치들을 개발하는 데에 있어서 좋은 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.; Patients with motor impairment have many difficulties their activities in daily life. In severe case, they cannot perform any basic body movements without caregivers or assistive devices such as a wheelchair. The motor impairments of these patients may consistently compromise quality of life after damage of their motor functions. Therefore, the many studies related with neurorehabilitation have been reported by many neuroscientists to aid recovery from a nervous system injury. During past decades, various strategies for neurorehabilitation have been developed by many neuroscientists. The most general strategy to help them is to perform passive exercise which assists the patients to overcome motor deficits through repetitive movement practice. Another strategy is to conduct the mental practice which repeatedly require motor imagination to recover the patient’s motor impairments. The positive effect of both passive exercise and mental practice have been shown by several studies. They have revealed favorable improvements in motor outcomes after stroke through mental practice or passive exercise. In spite of the development of various strategies for neurorehabilitation, there still exist several limitations as far as to maximize the benefit of rehabilitation. First, one of these problems is to vary the treatment effect of neurorehabilitation, individually. This inter-individual variability of neurorehabilitation have been shown by several studies. Second, the development of a novel neurorehabilitation strategy still may be essential to maximize the benefit of rehabilitation. The conventional strategies such as passive exercise and mental practice entail a long training period and causes cost issues. Also, the major problem is that its treatment effect is not effective. Aim of this study is to overcome these limitations. First objective was to reveal where the inter-individual variability was originated through the tDCS study, and second objective was to develop the novel neurorehabilitation strategy. Therefore, the author carried out two different studies. Through first study, the author could confirm the feasibility which the individual differences in the tDCS after effects may be originated from the intrinsic difference in the speed of DC stimulation uptake rather than the difference in the capacity of uptaking DC. Additionally, through second study, the author could demonstrate that the fNIRS could be used as a potential tool to monitor how well the users of the neurorehabilitation system performed the given exercise tasks (active exercise or motor imagery during passive exercise).