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“얼만큼 아파?”라고 물을 때 어떻게 답해야 할까요?

눈물 나도록? 무척이나? 죽을 만큼?

통증 정도

통증의 정도는 개개인의 경험, 참을성, 표현력 등에 따라 천차만별입니다.

때문에 고통을 호소하는 환자에 대응할 수 있는 방법도 정확하지 않다는 것이지요.

통증의 척도를 알 수 있는 객관적인 지표가 없어서 그렇습니다.

때문에 세계 의학계에서는 통증의 객관적 정도를 파악하기 위해 연구하고 있는데요.

안타깝게도 현재는 환자가 10단계로 구분된 통증강도 중 자신의 상태를 선택하는 주관적 설문방식이 사용되고 있습니다.

통증 10단계통증 10단계

통증 인식

통증을 인식하는 방법은 크게 촉각이라고 할 수 있습니다.

외부의 자극이 일정 수준 이상으로 전해지는 ‘문턱값’을 넘으면 비로소 촉각이 뇌로 전해지는데요.

이 때 강도에 따라 전달체가 촉각수용체와 통각수용체로 나뉘게 됩니다.

미세하고 촘촘하게 배열된 통각수용체는 미세한 자극을 감지하지만 전달속도가 초속 0.5~30m로 저속이면서도 범위가 넓고요.

반면 촉각수용체는 통각수용체보다 100배나 굵고 밀도가 낮은 대신 전달속도는 초속 70m로 상대적으로 빠르지요.

그럼 이렇게 전달된 촉각을 뇌가 어떻게 분석해서 통증으로 알려줄까요?

온도신경

오감 중 외부자극에 반응하는 촉각은 통증을 인식하는 데 중요한 역할을 합니다.

때문에 촉각을 정밀하게 측정할 수 있다면 곧 통증을 측정할 수 있는 것과 같은데요.

촉각신경 중 손상 여부를 가장 빨리 알려주는 부분은 상대적으로 세포 밀도가 낮은 온도신경인데요.

즉, 온도감각을 느끼는지만 정확히 측정할 수 있어도 신경손상을 알아차리고, 관련 질병을 조기진단 할 수 있는 것이지요.

다소 아리송한 설명이지만, 여기에서 핵심은 통증의 정도를 신경생리학적으로 객관화할 수 있는가 입니다.

체성감각 비밀을 풀다

한국표준과학연구원(KRISS) 첨단측정장비연구소 김기웅 박사 연구팀은 최근 세계 최초로 신경생리학적 두뇌반응에 기반해 통증 등 감각의 객관적 지표를 측정하는데 성공했습니다.

이번 연구는 단위로 정의할 수 없는 인간의 감각을 표준화할 수 있는데 한발 다가선 것을 의미하는데요.


나아가 인간의 감각을 신경생리학적 두뇌반응에 기반, 객관적 지표로 측정할 수 있게 된 것입니다.

이번 연구는 대뇌의 일차 체성감각 영역(Somatosensory Area)을 초정밀 측정하는 뇌자도장치로 진행됐는데요. 뇌자도는 뇌파가 발생시키는 자기장을 초전도양자간섭소자(SQUID)로 정밀측정하는 장비입니다.

한국표준과학연구원이 개발한 뇌자도한국표준과학연구원이 개발한 뇌자도



연구팀은 뇌자도를 이용해 뇌신경에서 발생하는 전기적 활동을 왜곡 없이 정밀하게 측정했는데요.

이 결과 대뇌의 1차 체성감각영역(S1)이 순수 온도자극에 반응한다는 사실을 최초로 입증했습니다.

지금까지 세계 학계에서는 대뇌의 2차 체성감각영역(S2)만이 순수 온도 감각을 처리한다는 것으로 여겼는데요. S1이 관여한다는 가설이 있어도 기존 fMRI로는 는 입증할 수 없어 논란이 있었습니다.

이에 연구팀은 뇌자도로 온도자극 시 뇌에서 자기장을 발생시키는 신경전류의 정확한 위치를 분석하는데 성공했습니다.

이에 따라 신경세포의 밀도가 낮으면 특정세포가 손상됐을 때 대신 작동할 수 있는 주변 세포도 부족하게 된다는 것, 세포 밀도가 낮은 온도신경은 미세한 손상이라도 받으면 뇌에 자극을 전달하지 못하는 것에 미뤄 온도감각을 정확히 측정하면 신경의 손상 여부를 알 수 있고, 나아가 질병을 조기에 진단할 수 도 있다는 것을  확인했습니다.

뇌자도 분석▲ 피부에 온도 자극을 가하면 뇌의 신경전류원에서 자기장이 발생한다. 연구진은 자기장이 발생하는 정확한 위치를 분석함으로써 기존에 알려진 부위(cSII) 이외에도 일차 체성감각 영역(S1)이 순수 온도 감각을 처리함을 밝혀냈다. (우측 그림의 cSI이 S1를 의미)



특히 이번 성과 중 주목할 것은 이를 기존 뇌전도나 fMRI 등에서 보이지 않았던 새로운 반응영역을 자체 개발한 뇌자도를 통해 찾아낸 것입니다. 

이번 연구결과는 세계 최고 수준 뇌과학전문학술지 ‘휴먼 브레인 매핑(Human Brain Mapping)’ 1월 24일 온라인판에 게재됐습니다.



용 어 설 명


순수 온도감각

신경생리학에서의 온도감각은 통각을 동반하는 경우와 그렇지 않은 두 가지 감각으로 구분할 수 있다. 지금까지 일차 체성감각(S1)에서는 통각을 동반하는 온도감각(뜨거움, 날카로운 차가움)만 처리할 수 있다고 알려져 있었지만, 이번 연구를 통해 순수한 온도감각(따스함, 시원함)까지도 처리하고 있음을 입증하게 되었다.

 

스퀴드(SQUID, Superconducting QUantum Interference Device, 초전도양자간섭소자)

초전도 현상을 이용한 정밀측정소자이다. 스퀴드는 양자역학적인 측정한계에 도달하는 수준의 초고감도 센서로서, 스퀴드를 이용한 자기장 센서는 지구 자기장의 100억분의 1 정도의 미약한 자기장 변화까지 측정할 수 있다.

스퀴드 센서는 인류가 개발한 자기장 센서 중에서 감도가 가장 높으며, 뇌 및 심장 등에서 발생되는 미약한 자기장 측정에 필수적이다.

 

뇌자도(腦磁圖) 측정장치(MEG, MagnetoEncephaloGraphy)

뇌는 많은 뇌신경세포(뉴런)로 구성되어 있는데, 신경세포 간에 전기를 주고 받음으로써 뇌기능 활동이 일어난다. 신경세포에 전류가 흐르면 자기장이 발생되고 머리 주위에 자기장 분포가 형성되는데, 이를 고감도 자기센서인 스퀴드로 측정하는 기술이 뇌자도 방법이다.

스퀴드를 이용한 뇌자도 측정기술은 비접촉 및 비파괴적인 진단기술로서 우수한 시간 및 공간분해능을 가진다. 따라서 뇌의 신경활동부위에 대한 3차원적인 정보를 얻을 수 있고 기존의 뇌기능 진단기술과는 뚜렷한 차별성을 가지고 있는 차세대 의료진단기술이다.

 

fMRI(functional Magnetic Resonance Imaging, 기능적 자기공명영상)

두뇌가 각각의 기능을 수행하게 되면 신경세포의 전기적 활성에 따라 산소 소모량이 증가하게 된다. fMRI는 혈액의 산소가 많이 소모되는 지점과 그 양을 영상으로 표현하는 장치로서 어떤 행위를 할 때 어느 부위가 활성화되는지 확인할 수 있다.

하지만 외부 자극으로 신경이 활성화 되면 2-3초 후 주변의 혈관이 부풀고 이때 산소량이 변화하는 것을 측정하므로, 시간 및 공간적으로 실제 활성화된 신경의 위치와는 불일치할 가능성이 높다.

특히 시각, 청각, 촉각 등 즉각적으로 반응이 일어나는 감각을 측정하기에는 시간적으로 너무 느린 탓에 기타 추후 반응들이 섞일 가능성이 있고, 공간적으로도 신경의 위치보다는 혈관이 두껍거나 모여 있어 산소변화량이 많은 곳의 위치가 보이는 경우가 있다. 

 

신경생리학(neurophysiology)

인체의 신경기능에 의해서 이루어지는 모든 생리현상을 연구하는 생리학의 한 분야이다. 주로 대뇌신경계통의 문제 및 신경세포, 신경섬유의 물리적 메커니즘, 신경 단위의 결합으로 이루어지는 중추신경세포의 문제 등을 연구한다.


연구성과의 의의 및 활용방향


아직까지는 인간의 감각에 관해서는 객관적 측정지표가 없다. 통증 때문에 병원에 방문하면, “인생에서 가장 아팠던 경험을 10이라고 했을 때, 지금 느끼는 통증은 1부터 10까지 중에 얼마에 해당하나요?”라는 질문을 받는다.

이것은 순서량이라고 하는 측정값으로써 매우 주관적이다.

2010년 국제도량형국(BIPM) 워크샵에서는 “Measuring the Impossible“을 주제로 기존 단위로 정의되지 않는 인간 지각의 측정과 해석에 관한 미래 측정표준의 필요성이 강력히 주장되었다. 뇌자도를 이용한 감각 및 지각 과정의 연구는 기존의 주관적 설문응답 대신 객관적인 뇌신경생리학적 반응을 측정할 수 있다는데 의의가 있다.


연구성과 에피소드


KRISS는 이미 순수 국내기술로 인간 대상 뇌자도 측정장치를 개발하였으며, 뛰어난 우수성을 인정받아 지난 2016년 해외 기술이전에도 성공하였다.

지금까지 KRISS는 이 뇌자도 측정장치를 이용하여 국내 유수 연구기관 및 병원과의 공동연구로 뇌과학, 뇌질환 관련 논문을 다수 출판하였다. 이번에는 외부 협력 없이 자체적으로 뇌과학 연구를 성공적으로 수행함으로써 KRISS의 연구역량이 측정장비 개발은 물론 뇌과학 분야에서도 세계적 수준에 도달했음을 입증하게 되었다.



연구자 약력


1. 인적사항

 ○ 성 명 : 김 기 웅        ○ 직 위: 책임연구원

 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소

 ○ 전 화 : 042-868-5676, 010-3033-7492

 ○ e-mail : kwkim@kriss.re.kr


2. 학력

 ○ 1995 KAIST 물리학과 이학사 (고출력레이저광학)  

 ○ 1997 KAIST 물리학과 이학석사 (비선형동력학)

 ○ 2002 KAIST 물리학과 이학박사 (고체물리학)


3. 경력사항

 ○ 2006 – 2007, 미국 프린스턴 대학교 물리학과, 객원연구원 

 ○ 2012 – 2012, 독일 PTB/Bernstein 뇌신경센터, 초청과학자

 ○ 2006 – 현재, 과학기술연합대학원대학교 의학물리학과 교수  

 ○ 2002 – 현재, 한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소(우대/책임연구원)


4. 학회/전문 활동

 ○ 국제학회: IEC TC90 전문위원(WG14), IEEE 회원, Institute of Complex Medical Engineering 위원, Asian Symposium on Magnetocardiography 운영위원회 위원, Asia-Pacific Signal and Information Processing Asociation 기술위원회 위원 등

 ○ 국내학회: 한국초전도학회, 대한의용공학회, 한국생체전자기학회, 대한뇌기능매핑학회, 한국물리학회, 국제생체자기학회


5. 전문 분야 정보

 ○ 생체자기학(뇌자도, 심자도), 원자물리학, 초전도물리학, 극저자장 자기공명, 자기공명힘현미경, 전기생리학, 기계학습, 역문제 해법, 최적화 기법 등


6. 발표논문, 특허 및 수상내역 등

 ○ Kiwoong Kim, et al., “Magnetoencephalographic study of event-related fields and

cortical oscillatory changes during cutaneous warmth processing” Human Brain Mapping (2018) 등 논문 150 여 편 

 ○ "극저자장 핵자기공명 심근전기활동 직접 검출방법 및 극저자장 핵자기공명장치" 등 국내/국제 등록 특허 40여 건, 출원 특허 40여 건

 ○ 심자도측정기술 기술이전(독일 BMP 사, 선급 15억 5천만원, 2010), Optical transfer technique(독일 BMP 사, 1억 3천만원, 2015), 뇌자도 시스템 기술이전(호주 Compumedics 사, 선급 12억원, 2016) 참여

 ○ BIOMAG 젊은연구자상, 국가과학기술연구회 우수성과 10선 미래부 장관상(2위), UKC Intellectual Property competition Sponsorship Award, 융합연구 미래부 장관표창, 2014 지멘스-뇌기능매핑학회 학술상, 올해의/이달의 KRISS인상 등 국내외 20 여 개 연구상 수상 


posted by 글쓴이 과학이야기