By EMILY MULLIN, WIRED US

스탠 니콜라스(Stan Nicolas)는 큰 어려움 없이 뇌 삽입술을 받았다.

클리블랜드 진료소(Cleveland Clinic)는 뇌졸중으로 신체 마비가 된 이들 중 상체 움직임 복구 실험 수술에 자발적으로 참여할 이를 모집하였다. 소뇌에 얇은 와이어를 연결하여 뉴런으로 전기 자극을 전달하기 위한 수술이다. 니콜라스는 2018년, 뇌졸중을 앓은 뒤 신체 왼쪽 대부분을 움직일 수 없는 상태가 되었다. 부분 전신 마비 탓에 평소에 좋아하던 요리를 할 수 없었다.

니콜라스는 클리블랜드 진료소의 실험 참가 자격을 갖추었으나 수술 당시 실험 진행 합의 철회를 고려했다. 니콜라스는 당시 두려웠다고 밝혔다. 그러나 왼쪽 팔과 손을 다시 움직일 수 있다면, 위험을 감수할 가치가 있다고 판단했다.

니콜라스는 네이처 메디신(Nature Medicine)에 게재된 최신 논문에서 언급된 뇌심부자극술(deep brain stimulation)을 받은 뇌졸중 환자 12명 중 한 명이다. 뇌심부자극술을 시작할 당시 피실험자 모두 일상 작업을 하기 어려울 정도로 상체 한쪽이 마비된 상태였다. 니콜라스와 다른 피실험자 9명은 수술 이후 손과 팔의 움직임이 의미 있는 수준으로 개선되었다. 니콜라스에게는 요리를 할 수 있다는 의미가 있었다. 니콜라스는 “수술 덕분에 손과 팔을 자유롭게 움직이게 되었다”라고 말했다.

매년 전 세계 인구 1,500만여 명이 갑작스러운 출혈이나 뇌의 혈액 공급이 막히면서 발생하는 뇌졸중을 앓는다. 결과적으로 뇌졸중 발생부위 주변의 뉴런이 손상된다. 뇌졸중이 발생한 뒤 생존한 환자 약 50%는 일상생활에 지장을 줄 정도의 만성 혹은 영구 장애를 겪게 된다. 물리 치료가 도움이 될 수 있으나 뇌졸중 중단 약 1년 뒤 신체 능력 회복 수준이 한계에 도달하면서 회복이 중단된다.
 
클리블랜드 진료소 연구팀은 뇌심부자극술로 뇌졸중 회복 수준을 높일 수 있을지 조사했다. 뇌심부자극술은 파킨슨병 환자의 신체 떨림을 완화할 치료법으로 30년 넘게 채택되었다. 이제 과학계에서는 뇌심부자극술의 중증 우울증 및 각종 정신질환 치료 실험을 진행 중이다. 뇌심부자극술은 수술을 통해 경미한 수준의 전기 맥박을 방출하는 전극을 수술을 통해 삽입하는 수술이다. 과학계는 뇌심부자극술이 마음의 평화를 다스리는 것처럼 뇌의 비정상적인 전기 패턴을 제어하는 데 도움이 된다고 본다.

뇌의 부상 적응 능력은 뛰어나다. 건강한 부위가 손상된 부위의 기능을 장악하여 움직임을 수행한다. 클리블랜드 진료소 신경과학자이자 연구 논문 저자인 케네스 베이커(Kenneth Baker) 박사는 “기능 인식 수준이 더 뛰어난 피질의 손상되지 않은 영역으로 뇌 상태를 향상하려 했다”라고 말했다.

뇌졸중 발병 시 신호 전송으로 신체 다른 부외와 연결할 능력을 지닌 뉴런의 운동 능력이 하락한다. 뇌졸중에서 회복하는 동시에 뉴런 활동 수준도 회복된다. 연구팀은 자극을 이용해 손상된 영역 주변 뉴런의 운동 능력 수준을 높이고, 새로운 연결 형성 능력도 향상하고자 했다.

피실험자 12명 모두 뇌의 가장 겉에 해당하는 대뇌피질(cerebral cortex)에서 뇌졸중이 발생했다. 과거 진행된 여러 연구는 손상된 영역에 직접 자극을 가하려 했으나 불가능했다. 클리블랜드 진료소 연구팀은 머리 뒷부분에 있는 소뇌 일부분을 자극한 뒤 자발적 움직임과 감각 기능 제어에 개입하는 뉴런 집단이라고 할 수 있는 치상핵(dentate nucleus)에 자극을 주는 것을 목표로 삼았다.

연구팀은 모든 피실험자의 흉부 피부 안에는 전기 충격을 방출하는 기기를 삽입함과 동시에 뇌에 전극을 삽입했다. 수술 회복 기간이 끝난 뒤 피실험자는 2개월간 물리치료를 받았다. 이후 연구팀은 전기 자극을 실행한 채로 4~8개월간 두었다. 피실험자는 계속 물리치료를 받았다.

연구팀은 뇌졸중 이후 손과 팔 기능을 평가하는 일반 테스트를 통해 피실험자 한 명씩 신체 능력 향상 수준을 측정했다. 물리치료만으로는 신체 능력이 약 3포인트 상승했다. 반면, 전기 자극을 실행한 뒤 피실험자의 신체 능력 향상 수준 중간 점수가 7포인트 상승했다.

피실험자는 빗질, 컵 들기, 스위치 켜기 등 일상 움직임 수행 능력도 향상되었다. 베이커 박사는 “동작과 운동 능력 모두 정상 수준에 이르지는 않았으나 손 움직임 능력이 상승한 것만으로도 큰 차이가 나타난다”라고 말했다. 반대로 신체 능력이 의미 있는 수준으로 개선되지 않은 피실험자 3명은 다른 피실험자보다 신체 능력 결핍 수준이 더 심한 상태에서 실험에 참가하기 시작했다.

니콜라스는 전기 자극이 실행되고 몇 달이 지나자 수술 전과의 차이를 눈치 챘다. 팔을 머리 위로 들어올리고, 왼쪽 손을 접을 수 있었다. 모두 수술 전에는 불가능했던 움직임이다. 마당 관리와 집안일도 수월해졌다. 니콜라스는 “수술이 움직임 능력을 향상하는 데 도움이 돼서 기쁘다”라고 전했다.

연구팀은 연구 결론을 내린 뒤 기기를 제거했다. 놀립게도 기기 제거 후 후속 연구 기간 10개월 내내 신체 능력 향상 수준이 유지된 것으로 나타났다. 파킨슨병과 달리 뇌심부자극술이 평생 필요하지 않을 수도 있다는 점을 시사한다.

피실험자 모두 1년 넘게 신체 마비를 겪었다. 간혹 뇌졸중 후 3년간 신체 마비를 겪은 피실험자도 있었다. 그러나 이후 뇌졸중이 신체 능력 개선 수준에 영향을 미치지 않았다. 클리블랜드 진료소 연구 자금을 지원 기관인 국립 뇌 연구소(National Institute’s Brain Initiative) 소장 존 은가이(John Ngai)는 “뇌졸중 환자의 신체 기능 회복 도움 여지가 그동안 생각한 것보다 훨씬 더 많다는 사실을 의미한다”라고 전했다. 그러나 중증 마비 환자는 신체 능력 개선 수준이 매우 미미하다는 점에서 자극이 신체 능력 개선을 도울 수 있는 수준에는 한계가 있다고 덧붙였다.

클리블랜드 진료소 연구에 참여하지 않은 워싱턴대학교 의과대학 세인트루이스 캠퍼스 소속 뇌졸중 회복 전문의인 캐서린 랑(Catherine Lang) 박사는 연구 결과가 흥미롭지만, 뇌심부자극술을 받기 적합한 조건을 갖춘 환자를 알아내기 위한 추가 연구가 필요하다고 말했다. 랑 박사는 “뇌심부자극술이 임상시험 과정에서 진전을 거두었다는 점에서 이제 뇌심부자극술 효과를 볼 수 있는 환자 특성을 더 자세히 파악하게 시작할 것이다”라고 전했다.

이제 클리블랜드 진료소 연구팀은 대규모 임의 실험을 통해 뇌심부자극술 효과를 더 자세히 측정하고자 한다. 다음 연구 단계는 전기 자극을 받는 환자 집단과 전기 자극을 받지 않는 환자 집단을 나누어 진행할 예정이다.

니콜라스는 신체 능력이 향상된 사실에 주목하면서도 여전히 기타 연주는 할 수 없다는 사실을 확인했다. 니콜라스는 뇌졸중 전까지 블루스 락 밴드에서 연주했다. 음악은 곧 니콜라스의 삶이었다. 그러나 이제는 기타를 잡을 수 있을 정도로 손목을 접을 수 없다. 또, 손가락을 이전처럼 빠르게 움직일 수도 없다. 기타 연주를 할 수는 없지만, 니콜라스는 임상시험에 참여한 사실을 기쁘게 생각하며, 더 많은 환자가 뇌심부자극술을 받고 신체 능력을 회복하게 되기를 바란다. 니콜라스는 “뇌졸중 이후 신체를 움직일 수 있다는 생각은 놀라운 일이다. 손에 들어온 것 모두 그대로 잡을 수 있다”라고 말했다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
A Brain Implant Helped Stroke Survivors Regain Movement