도파민과 뇌 컴퓨터 인터페이스 (BCI_LDOPA)

본 연구 프로젝트의 목적은 건강한 노인 대상의 BCI 성능에 대한 도파민 조절의 효과를 평가하여 근본적인 신경 생리학적 메커니즘을 이해하는 것입니다. 뇌졸중 후 운동 회복을 향상시키기 위해 이 접근법을 적용하는 것이 관점입니다.

뇌졸중은 운동 기능 장애의 가장 흔한 원인 중 하나이며, 인구 고령화로 인해 그 유병률이 증가할 것으로 예상됩니다. 뇌졸중 생존자는 종종 급성 단계에서 운동 기능의 어느 정도 자발적인 회복을 경험하고 회복이 일반적으로 느리거나 정체된 후 기능적 정체기에 도달합니다. 흥미롭게도 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기반 치료법이 이 정체기를 넘어 회복을 유도할 수 있다는 증거가 나타나고 있습니다.

약리학적 MRI(phMRI)는 약물 작용 뒤에 숨어 있는 근본적인 신경생물학적 메커니즘을 밝히는 데 궁극적으로 사용될 수 있는 물질이 뇌 기능에 미치는 영향을 연구하는 새롭고 유망한 방법입니다. 대부분의 이미징 방법과 마찬가지로 이는 전반적인 신경 연결과 관련하여 비침습적인 방식으로 뇌 장애 및 신경 전달 물질 경로의 관련 기능 조사의 진전을 나타냅니다.

또한 임상 조사로의 전환을 위한 이상적인 도구를 제공합니다. MRI는 PET 및 SPECT에 비해 분자 이미징 전략에서 여전히 뒤떨어져 있지만 공간 해상도가 높고 조영제나 방사성 표지 분자를 주입할 필요가 없으므로 전리 방사선에 반복적으로 노출되는 것을 피할 수 있다는 장점이 있습니다. 기능적 MRI(fMRI)는 연구 및 임상 환경에서 광범위하게 사용되며 일반적으로 정신 운동 작업과 결합됩니다. phMRI는 특정 도전 약물 투여를 통해 활성화된 후 생리학적 또는 병리학적 조건 하에서 도파민과 같은 특정 신경전달물질 시스템을 조사할 수 있는 fMRI를 적용한 것입니다.

운동 과정에서 신경전달물질인 도파민(DA)의 중요성은 오랫동안 알려져 왔습니다. 파킨슨병을 앓고 있는 환자의 경우 기저핵의 도파민 결핍이 강한 운동 관련 결손을 유발하는 것으로 알려져 있습니다.

최근 연구에 따르면 DA는 신경 구조를 자극하여 광범위한 뇌 영역에 영향을 미치고 다양한 행동 제어 프로세스에 기여합니다. 즉, 지각 분류, 보상, 동기 부여 및 실행 제어의 맥락에서 운동 제어의 운동 프로세스와 인지 프로세스 모두에 기여합니다. . 이러한 이유로 DA는 "티칭 신호"라고도 합니다.

DA가 새로운 뇌졸중 재활 전략을 수립하는 데에도 효과적일 수 있다는 새로운 증거가 있습니다. 재활 전략이 효과적이려면 새로운 운동 기억이 형성되어야 하며, 이는 등외측 전전두엽 피질, 일차 운동 피질, 선조체 및 소뇌를 연결하는 네트워크에 의해 해부학적으로 매개됩니다. 새로운 운동 기억은 흑색질과 피각의 선조체 중간 가시 뉴런 사이의 도파민 신호 전달을 필요로 하는 LTP 및 LTD와 같은 시냅스 가소성 과정에 의해 형성되고 정리됩니다. 기저핵의 운동 루프 내에서 D1R에 대한 도파민 결합은 원하는 움직임을 촉진하는 반면, D2R에 결합하면 원하지 않는 움직임을 억제합니다.

기저핵 내의 운동 구동 역할 외에도 도파민 시스템은 지각 및 행동 관련 정보의 조정인 시각 운동 통합을 강화합니다. 수용체 수준에서 D1R은 적절한 시력 운동 통합에 중요합니다. 이 시스템은 시각화된 환경 정보를 신체 위치와 연관시켜 최적의 움직임 계획 및 교정을 가능하게 하는 데 중요합니다. 따라서 도파민 치료를 통해 운동 구동 및 시력 운동 통합의 조정을 강화하면 뇌졸중 후 회복을 향상시킬 수 있습니다.

중추신경계 신경전달물질(도파민, 노르아드레날린, 세로토닌, 아세틸콜린)의 가용성을 증가시키는 약물은 신경가소성에 촉진 효과를 발휘하는 것으로 나타났습니다. 이를 염두에 두고 연구자들은 암페타민, 선택적 세로토닌 재흡수 억제제, 도네페질, 메틸페니데이트와 같은 정신 자극제, 도파민 작용제가 뇌졸중 후 운동 회복에 미치는 영향을 연구했습니다. 앞서 언급한 약물 중 레보도파만이 인간 대상에서 뇌졸중 후 LTP 유사 가소성, 실습 의존적 가소성 및 운동 회복의 유도를 향상시키는 것으로 나타났습니다. 또한 레보도파는 안전한 부작용 프로필을 갖고 있으며 규제 약물이 아닙니다.

레보도파의 가장 흔한 부작용은 운동이상증, 메스꺼움, 환각, 현기증 순입니다. 또한 파킨슨병 환자에서 레보도파로 인한 운동이상증이 발생할 위험이 어느 정도 있습니다. 그러나 이러한 심각한 부작용은 일반적으로 약물을 장기간(예: 수년) 복용한 후에 나타납니다. 또한 뇌졸중과 같은 다른 질환을 앓고 있는 환자의 위험은 훨씬 낮은 것으로 추정됩니다. 실제로 레보도파는 이상운동증이나 기타 경미하거나 중대한 부작용에 대한 보고 없이 뇌졸중 생존자의 운동 회복에 초점을 맞춘 수많은 연구에서 사용되었습니다. "문헌"은 동반된 기저핵 손상이나 파킨슨병이 없는 한, 뇌졸중 생존자를 레보도파로 치료하는 것이 레보도파 유발 이상운동증을 유발할 가능성이 낮다고 결론지었습니다.

BCI 기능의 기본은 특정 정신 상태와 관련된 일관된 뇌 활성화 패턴을 훈련하기 위해 피험자로부터 직접 기록된 신경 활동을 실시간 피드백으로 변환하는 것입니다. 신경 활동은 침습적(ECoG/iEEG) 또는 비침습적(EEG, MEG, 실시간 fMRI 또는 ​​NIRS) 방법을 통해 감지할 수 있습니다. 대부분의 연구에서는 EEG 기반 비침습적 BCI를 사용하는데, 그 이유는 작동이 상대적으로 쉽고 빠르며 좋은 시간적, 공간적 특성을 갖고 있기 때문입니다. 따라서 지속적인 운동 장애가 있는 뇌졸중 생존자의 기능적 이득을 유도하는 데 안전하고 효과적으로 사용할 수 있습니다. 개인이 전통적인 치료법을 사용하여 기능적 정체기에 도달한 후에도 동시 또는 관련 치료법의 효능을 향상시킵니다.

현재 운동 기능 회복을 목표로 하는 대부분의 BCI는 운동 이미지(MI)를 기반으로 합니다. 이러한 시스템은 실제 움직임에 의존하지 않고 오히려 움직임을 상상하는 정신적 과정을 사용합니다. 주된 이유는 MI가 실제 움직임과 동일한 뇌 영역의 활성화로 이어진다는 것입니다. 피드백이 없는 운동 이미지에서 발생하는 문제는 활동에 대한 통제력 부족과 동기 부여 부족입니다. BCI를 사용하면 운동 이미지를 실시간으로 측정할 수 있어 피험자에게 실시간 피드백을 제공할 수 있습니다. 또한 BCI 장치와 MI 트리거 기능적 전기 자극(FES)을 결합하면 피질 활성화, 말초 활성화 및 감각 피드백의 재동기화가 가능합니다. 이 외에도 일부 연구에서는 즉각적인 시각적 피드백을 위해 가상 현실을 포함해야 한다고 주장했습니다. 가상 현실 기반 동작 관찰과 FES 피드백의 조합은 피험자가 실시간 화면 아바타와 상호 작용할 때 운동 기능 개선을 강화할 수 있습니다. 따라서 회로를 닫는 것이 가능합니다. 시스템에서 운동 이미지를 감지하고 FES를 대상 근육에 적용하여 참가자가 운동을 수행할 수 있도록 돕습니다. 동시에 아바타는 참가자 화면에 실시간으로 표시되는 동일한 동작(FES와 동기화)을 수행합니다. 따라서 치료 성공에 기여하는 신체적 움직임을 수행하는 것 외에도 감각 피질 영역도 구심성 신경 자극을 통해 운동 이미지와 동시에 활성화됩니다. 이는 반복적으로 함께 자극된 뉴런이 공통 연결을 생성한다는 헤비안 가소성의 자극으로 이어집니다. 이는 사용 의존적 가소성을 유도하고 기능 회복을 촉진하는 것으로 생각됩니다. 보완 기술을 통한 이러한 중앙-주변 연결 강화는 유도된 사용 의존적 가소성을 통해 운동 기능 회복을 향상시키고 뇌졸중 후 기능 회복을 촉진할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

BCI 기반 재활 치료를 받는 뇌졸중 환자의 뇌 활성화 및 기능적 연결성(FC)에 변화가 있다는 증거가 있습니다. 이는 잠재적으로 하두정엽과 보조 운동 영역(SMA) 사이뿐만 아니라 전대상 피질과 SMA 사이의 FC 증가를 초래할 수 있으며 이는 Fugl-Meyer 점수의 증가와 양의 상관 관계가 있습니다. 더욱이, 동측 시상과 반대측 대상, 반대측 중심 소엽 및 양측 설전 사이에서 FC 증가가 관찰되었습니다.