문장이 좀 낯익지 않은가? 그 자체로 그 결과는 부인할 수 없을 정도로 인상적이고 완전히 삶을 변화시키는 반면에 오래된 뉴스처럼 보일 수 있다. 뇌 임플란트 디자인의 개선 덕분에 지난 10년 동안 마비 환자의 이동성을 회복하는 데 놀라운 진전이 있었다. 2018년에는 29세의 남성이 스노모빌 사고로 수년간 마비된 후 척수에 약간의 충격을 받아 축구장 전체 길이를 걸었다. 작년에 척수 자극은 완전한 마비를 가진 여러 사람들이 부드러운 물에서 워커와 카약으로 번화한 도심 지역을 산책하는 데 도움이 되었다.
척수 자극이 한때는 회복할 수 없는 부상을 이제는 되돌릴 수 있는 부상으로 변화시켰다는 것은 의심의 여지가 없다. 그러나 어렴풋한 질문이 남아 있다. 왜 작동할까?
Nature의 새로운 연구는 우리에게 몇 가지 단서를 제공했다. 부상에서 회복되는 척수의 3D 분자 지도를 구축하면서 팀은 외곽에 자리 잡은 신비한 뉴런 그룹을 발견했다. 그들은 독특하다. 일반적으로 이러한 뉴런은 걷기에 필요하지 않다. 그러나 척수 손상의 경우 몇 번의 전기 충격 후에 활동이 폭발하여 움직임을 회복하는 데 도움이 되는 새로운 신경 고속도로로 재구성된다.
이러한 뉴런을 정확히 찾아내는 것은 단순한 과학적 호기심이 아니다. 그들이 작동하는 방식을 이해함으로써 우리는 마비에 대한 훨씬 더 정교한 치료법을 개발하기 위해 전기 통신 및 내부 분자 작동을 활용할 수 있다.
이번 연구에 참여하지 않은 퀸즐랜드 대학의 마크 루이텐버그 박사는 “척수 손상을 입은 사람들에게 이 기술이 주는 희망의 양은 어마어마하다”고 말했다.
박사님께 연구에 참여하지 않은 솔크 생물학 연구소의 Kee Wui Huang과 Eiman Azim의 결과는 척수 손상을 치료하는 데 여러 각도를 수용해야 함을 보여준다. 이전 노력의 핵심인 임플란트 기술을 개선하는 것은 이야기의 한 측면에 불과하다. 회복의 신경생물학을 분석하는 것은 다른 중요한 부분이다.
새로운 연구는 "신경계의 고해상도 분자 지도가 후자를 제공하기 시작했다"는 것을 보여준다.
갭을 매우다.
나는 척수를 윙윙거리는 주간 고속도로로 묘사하는 것을 좋아한다. 각 섹션에는 신체의 다른 부분으로 이어지는 여러 개의 작은 지역 신경 경로가 있다. 척수는 주요 정보를 통해 뇌에서 신체의 나머지 부분으로 신호를 전달한다. 심한 낙상, 자동차 사고 또는 스포츠 부상은 그 고속도로를 손상시킬 수 있다. 장애물과 마찬가지로 근육에 명령을 보내고 감각 피드백을 받는 전기 트래픽은 더 이상 통과할 수 없다.
그러나 인공적으로 그 도로 붕괴를 임플란트로 연결할 수 있다면 어떨까?
약 반년 전에 과학자들은 경막외 전기 자극(EES)이라는 기술을 실험하기 시작했다. 이 장치는 여러 개의 전극으로 구성되어 있으며 척수를 감싸고 보호하는 가장 바깥쪽 막 바로 위에 삽입된다. 부상 부위를 우회하는 인공 다리 역할을 한다. 약간의 충격은 척수의 건강한 부분에 있는 뉴런을 활성화하고 근처의 신경 경로에 신호를 전달할 수 있다.
폐쇄 루프에서 작동하는 무선 이식형 펄스 발생기. ©NeuroRestore
Huang과 Azim은 EES가 "성능의 현저한 변화"를 달성한 몇 안 되는 치료법 중 하나이지만 여러 가지 어려움에 직면해 있다고 말했다. 하나는 보행에 필수적인 척수 부분을 표적으로 삼을 수 없다는 점에서 차선의 임플란트 디자인이었다. 다른 하나는 자연적인 전기 펄스를 모방하는 방식으로 척수를 자극하지 않는 알고리즘으로 구동되는 소프트웨어였다. 아이러니하게도 이러한 디자인은 "회복을 촉진하는 감각 신호를 방해"할 수 있다고 Huang과 Azim은 말했다.
남자에서 쥐로
EES가 사람들이 마비에서 회복하는 데 어떻게 도움이 되는지 알아보기 위해 새로운 연구는 비정통적인 접근 방식을 취했다. 먼저 마비 환자의 장치와 자극 패턴을 테스트했다. 개선을 확인한 후, 팀은 회복을 담당하는 세포를 고정하기 위해 유사한 부상을 입은 쥐의 치료법을 재현했다. 패러다임은 인간으로 이동하기 전에 쥐 모델로 시작하는 전형적인 연구 절차에서 근본적으로 출발한다.
그러나 EPFL의 신경과학 교수인 Grégoire Courtine과 로잔대학교 병원(CHUV)의 신경외과의인 Jocelyne Bloch 박사들이 이끄는 팀은 나름의 이유가 있다. 두 과학자 모두 마비와 싸우는 데 낯선 사람이 아니다. NeuroRestore 프로그램을 주도하면서 환자가 이동성을 회복할 수 있도록 척수 임플란트를 엔지니어링하는 데 앞장서 왔다.
이 연구에서 그들은 먼저 임상 시험의 일환으로 EES로 중증 또는 완전한 마비를 가진 9명의 사람들을 자극했다. 6명은 다리에 감각이 있었다. 나머지 3개는 없었다. 두 그룹은 서로 다른 하드웨어를 이식했는데, 첫 번째 그룹은 통증 치료에 적합한 하드웨어를 받았고 두 번째 그룹은 보행 자극을 위해 특별히 개발되었다. 정상적인 척수 신호와 유사한 자극 패턴을 사용하여 참가자들은 체중을 지탱하는 로봇의 도움으로 보행 능력이 즉시 향상되거나 회복되었다. 5개월의 추가 훈련을 통해 그들은 점차적으로 자신의 체중을 지탱하는 법을 배웠고 도움을 받아 야외에서 걸을 수도 있었다.
하지만 왜? 놀랍게도 팀은 물리적 재활과 함께 EES가 보행을 제어하는 척수 부분에 필요한 에너지를 감소시킨다는 것을 발견했다. EES는 척수의 모든 뉴런을 연결하는 대신 환자가 다시 걸을 수 있도록 돕는 데 중요한 특정 뉴런 그룹에만 맞춤화하는 것 같다.
회복의 분자 지도
이 신비한 뉴런은 무엇일까?
더 깊이 파고들면서 팀은 마비가 있는 쥐에 대한 치료를 다시 시작했다(예, 체중을 지탱하는 데 도움이 되는 맞춤형 쥐 크기 로봇이 포함되었다.) 인간과 마찬가지로 쥐는 EES를 켠 상태에서 즉시 걸을 수 있는 능력을 회복했다.
그들이 회복되면서, 팀은 척수에서 샘플을 채취하고 24마리의 쥐에서 80,000개 이상의 개별 세포에서 유전자를 시퀀싱하여 어떤 유전자가 활성화되었는지 확인했다. 위치가 핵심이었다. 이 조사는 척수에서 각 세포의 위치를 기반으로 유전자를 매핑했으며, 이는 함께 회복에 대한 최초의 분자 지도를 형성했다.
거대한 데이터베이스라고 생각할 수도 있다. 다행히 팀은 이전에 데이터 분석에 도움이 되는 머신러닝 알고리즘을 개발했다. 핵심은 다른 생물학적 상황에서 특정 세포와 유전자 발현 프로파일을 일치시키는 것이었다. V2a라고 불리는 특정 세포 집단이 두드러졌다. 이 뉴런은 보행에 특히 중요한 척수 영역에 내장되어 있으며 부상 전에는 보행에 필요하지 않았지만 EES 이후에는 활동이 급증하는 것처럼 보였다.
V2a 세포는 척수 회복에 대한 강력한 게이트키퍼이다. 후속 테스트에서 광유전학(빛으로 뉴런을 제어하는 방법)을 사용하여 활동을 낮추는 것도 척수 회복을 약화시켰다.
Huang과 Azim은 "손상 후 뇌에서 입력을 잃어버린 특정 유형의 척수 뉴런은 자극과 재활의 적절한 조합이 제공되면 '깨어나거나' 움직임을 회복하기 위해 용도를 변경할 수 있다."고 말했다.
V2a 세포는 척수 손상 및 마비를 치료하는 묘책이 아니다. 이 연구는 EES로 활성화되는 다양한 유전적 특징을 가진 수많은 다른 뉴런을 발견했다. 뇌가 척수 손상을 우회하여 연결을 재건하는 방법은 훨씬 더 심오한 미스터리이다. 동일한 뉴런이 다른 일상적인 신체 요구(예: 방광 및 장 조절)를 회복하는 데 도움이 되는지 여부는 아직 알려지지 않았지만 팀이 연구할 다음 목록에 있다. 이를 위해 주 저자는 ONWARD라는 스타트업을 시작하여 향후 2년 동안 새로운 시험을 시작했다.
이미지 출처: Geralt / 23803
