척수손상 후 뇌를 이용해 자연스럽게 걷기

Nature 618권, 126~133페이지(2023)이 기사 인용

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척수 손상은 뇌와 걷기를 생성하는 척수 영역 사이의 통신을 방해하여 마비를 초래합니다1,2. 여기에서 우리는 만성 사지마비 환자가 지역사회 환경에서 자연스럽게 서고 걸을 수 있도록 하는 뇌와 척수 사이의 디지털 브리지를 통해 이러한 의사소통을 복원했습니다. 이 뇌-척추 인터페이스(BSI)는 피질 신호3와 걷기 생성과 관련된 척수 영역을 대상으로 하는 경막외 전기 자극의 아날로그 변조 사이에 직접적인 연결을 설정하는 완전히 이식된 기록 및 자극 시스템으로 구성됩니다4,5,6. 신뢰성이 높은 BSI는 몇 분 내에 교정됩니다. 이 신뢰성은 집에서 독립적으로 사용하는 경우를 포함하여 1년 동안 안정적으로 유지되었습니다. 참가자는 BSI를 통해 서기, 걷기, 계단 오르기, 심지어 복잡한 지형 통과 등 다리의 움직임을 자연스럽게 제어할 수 있다고 보고했습니다. 더욱이 BSI가 지원하는 신경재활은 신경학적 회복을 향상시켰습니다. 참가자는 BSI가 꺼진 경우에도 지상에서 목발을 짚고 걸을 수 있는 능력을 회복했습니다. 이 디지털 브리지는 마비 후 자연스러운 움직임 제어를 복원하는 프레임워크를 구축합니다.

걷기 위해 뇌는 요추 척수에 위치한 뉴런에 실행 명령을 전달합니다7. 대부분의 척수 손상이 이러한 뉴런을 직접적으로 손상시키지는 않지만, 하행 경로의 붕괴는 이러한 뉴런이 걷기를 생성하는 데 필요한 뇌 유래 명령을 방해합니다8. 그 결과는 영구적인 마비입니다.

우리는 이전에 요추 척수의 개별 등근 진입 영역을 표적으로 하는 경막외 전기 자극이 특정 다리 운동 풀9,10,11,12의 조절을 가능하게 한다는 것을 보여주었습니다. 결과적으로, 미리 프로그래밍된 시공간 시퀀스를 사용하여 이러한 등근 진입 영역을 모집하면 서 있고 걷기4,5,11,13,14의 기본이 되는 다리 운동 풀의 생리학적 활성화가 복제됩니다. 이러한 자극 시퀀스는 척수 손상으로 인해 마비가 있는 사람들의 서기와 기본 걷기를 회복시켰습니다. 그러나 이러한 회복에는 미리 프로그래밍된 자극 시퀀스를 시작하기 위한 잔여 움직임 또는 보상 전략에서 모터 의도를 감지하기 위한 웨어러블 모션 센서가 필요했습니다5. 결과적으로 걷기의 조절은 완전히 자연스러운 것으로 인식되지 않았습니다. 더욱이, 참가자들은 변화하는 지형과 의지적 요구에 다리 움직임을 적응시키는 제한된 능력을 보여주었습니다.

여기서 우리는 뇌와 척수 사이의 디지털 브리지13,15,16,17,18,19가 근육 활동의 타이밍과 진폭에 대한 의지적 제어를 가능하게 하고, 장애가 있는 사람들의 서기와 걷기에 대한 보다 자연스럽고 적응적인 제어를 복원할 수 있다고 제안합니다. 척수 손상으로 인한 마비.

이 디지털 브리지를 구축하기 위해 우리는 대뇌 피질 활동을 기록하고 요추 척수를 무선으로 실시간으로 자극할 수 있는 두 개의 완전히 이식된 시스템을 통합했습니다(그림 1a).

a, 64개의 전극으로 구성된 두 개의 피질 임플란트를 감각운동 피질 위에 경막외로 위치시켜 ECoG 신호를 수집합니다. 처리 장치는 운동 의도를 예측하고 이러한 예측을 요추 척수의 등근 진입 영역을 대상으로 하는 경막외 전기 자극 프로그램의 변조로 변환합니다. 자극은 16개 전극 패들 리드에 연결된 이식형 펄스 발생기에 의해 전달됩니다. b, 피질 임플란트 위치의 수술 전 계획 및 수술 후 확인을 보고하는 이미지. L, 왼쪽; R, 그렇죠. c, 패들의 최적 위치를 예측하는 개인화된 계산 모델은 하지 근육과 관련된 등근 진입 영역을 목표로 삼고 수술 후 확인을 수행합니다.