뇌졸중 환자를 돕기 위해 뇌를 어떻게 훈련시킬 수 있습니까?

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뇌졸중을 앓은 많은 사람들은 최고의 전문가와 방법으로 치료를 받은 후에도 움직이지 못하는 경우가 많습니다. 뇌졸중 치료를 더욱 효과적으로 만드는 새로운 방법은 사람들이 보다 효과적으로 회복하는 데 도움이 될 수 있습니다. 일부 연구 그룹에서는 뇌파를 기록하여 뇌졸중 환자가 손 움직임을 상상하는 시점을 측정할 수 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 시스템을 개발했습니다. 우리는 치료 중 각 환자의 뇌 활동을 사용하여 근육 자극기와 모니터를 제어하는 BCI를 개발했습니다. 환자들은 치료 중에 움직임을 정확하게 상상했을 때 보람 있는 피드백을 받았습니다. 우리는 51명의 환자를 테스트했는데, 그 중 일부는 수년 전에 뇌졸중을 겪었습니다. 표준화된 테스트 결과에 따르면 42명의 환자는 치료 후 증상이 호전되었습니다. 따라서 BCI 기반 치료법은 일부 뇌졸중 환자에게 도움이 될 수 있습니다. 우리는 BCI를 사용하여 보다 효과적인 치료법으로 이어질 수 있는 추가 발전이 향후 몇 년 내에 있을 것이라고 생각합니다.

뇌졸중이 발생하면 뇌에서는 어떤 일이 발생하나요?

뇌졸중은 사람들의 수명이 길어지면서 점점 더 흔해지고 있는 뇌 손상의 한 유형입니다. 뇌졸중은 뇌의 혈관이 막히거나 출혈이 시작될 때 발생합니다. 두 경우 모두 뇌의 일부 부분에 필요한 혈액 공급이 이루어지지 않아 심각한 뇌 손상이 발생할 수 있습니다. 뇌졸중이 발생한 후에는 환자가 즉시 병원에 가는 것이 중요합니다. 의사는 때때로 뇌졸중 후 며칠 이내에 환자가 뇌 손상의 일부를 회복하도록 도울 수 있습니다. 그러나 병원 치료를 받더라도 많은 환자들은 심각하고 오래 지속되는 뇌 손상을 입어 광범위한 치료가 필요합니다.

뇌는 좌반구와 우반구라고 불리는 두 부분으로 구성됩니다. 일반적으로 뇌졸중은 한쪽 반구에만 영향을 미치므로 일부 뇌졸중 생존자는 신체의 왼쪽이나 오른쪽을 움직이는 데 어려움을 겪습니다. 심한 경우 환자의 왼쪽이나 오른쪽 팔다리가 완전히 마비되기도 한다. 경미한 경우 환자는 팔이나 다리(둘 다는 아님)에만 문제가 있고 거의 모든 동작을 정상적으로 수행할 수 있습니다. 뇌졸중은 경직이라는 또 다른 문제를 일으킬 수 있습니다. 이는 일부 근육이 너무 긴장되어 있음을 의미합니다. 환자는 통증, 움직이기 어려움, 의도하지 않은 움직임 및 기타 문제를 겪을 수 있습니다.

움직임의 어려움은 많은 어려움을 초래할 수 있습니다. 뇌졸중 생존자는 일을 하지 못하거나 좋아하는 스포츠나 취미를 즐기지 못할 수도 있습니다. 친구와 가족의 도움이 필요할 수도 있고, 실직과 치료 및 관리 비용으로 인해 재정적 어려움을 겪을 수도 있습니다. 일부 뇌졸중 생존자들은 사람들이 자신의 장애 때문에 놀림을 받을 것이라고 생각하기 때문에 공공장소에 있는 것이 불편합니다. 이는 뇌졸중 환자가 움직일 수 있는 능력을 회복하는 데 도움이 되는 최상의 접근 방식과 기술이 필요한 이유 중 일부에 불과합니다.

뇌졸중 치료에 뇌-컴퓨터 인터페이스를 어떻게 사용할 수 있습니까?

더 이상 한 손을 움직일 수 없는 뇌졸중 환자를 상상해 보십시오. 뇌졸중 환자를 치료하기 위해 치료사는 종종 환자에게 특정 종류의 손 움직임을 상상하거나 시도하도록 요청합니다. 수십 번의 치료 세션을 통해 이는 뇌가 영향을 받은 손을 제어하는 방법을 다시 배우는 데 도움이 됩니다. 뇌파검사(EEG)라는 측정법은 뇌의 전기적 활동을 측정하기 위해 수년 동안 사용되어 왔습니다[ 1 ]. 이 기술은 머리에 배치되는 전극이라고 불리는 작은 금속 디스크를 사용합니다. EEG는 뇌의 어느 영역이 활성화되어 있는지 알려줍니다. 예를 들어, 움직임과 감각을 담당하는 뇌 영역에 전극을 배치함으로써 사람이 움직이거나 감각을 느낄 때 일어나는 뇌 활동을 연구할 수 있습니다.

recoverix rehabilitation of stroke patients setup

EEG는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 결합되어 새로운 종류의 뇌졸중 치료법을 만들 수 있습니다 . BCI는 치료를 받는 사람에게 뇌 활동에 대한 실시간 피드백을 제공할 수 있는 시스템입니다. BCI 시스템은 환자가 올바른 손 움직임을 상상할 때 이를 감지하고 해당 움직임이 올바른지 환자에게 알릴 수 있습니다. 예를 들어, 환자가 왼손 움직임을 상상하면 모니터의 만화 손이 그 움직임을 흉내낼 수 있고 근육 자극기는 왼손이 움직일 수 있도록 도와줍니다. 이런 방식으로 환자는 상상한 움직임을 올바르게 수행하는 동안에만 시스템으로부터 보상 피드백을 받습니다. 만화 속 손이 움직이는 것을 보면서 자신의 손이 움직이는 것을 느끼는 것은 환자에게 동기를 부여하고 뇌가 운동 기능을 다시 배우도록 격려하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다른 많은 유형의 BCI가 개발되었습니다. 뇌졸중 후 치료에 BCI를 사용하면 뇌 가소성이 증가할 수 있습니다. 즉, 뇌는 경련이나 기타 어려움 없이 손을 움직이는 것과 같은 특정 기능을 다시 수행하는 방법을 배우는 데 도움이 되는 새로운 연결을 생성할 수 있습니다.

RecoveriX 과학적 연구는 어떻게 진행됐나요?

우리는 51명의 환자에게 연구에 참여하도록 요청했습니다. 이 환자들은 평균 61세였으며 연구 전 평균 37개월 동안 뇌졸중을 겪었습니다. 어떤 사람들은 12개월 이상 전에 뇌졸중을 앓은 환자가 아마 호전되지 않을 것이라고 생각하지만, 우리는 그렇지 않다고 가정했습니다.

환자들은 치료 전 두 번의 사전 평가에 참여했습니다. 사전 평가에서는 각 환자의 운동 능력과 기타 요인을 연구하기 위한 테스트를 실시했습니다. 사전 평가는 치료 전 환자의 능력을 잘 이해할 수 있도록 1개월 간격으로 2일에 걸쳐 수행되었습니다. 그런 다음 환자들은 면허가 있는 치료사와 함께 25~31회의 BCI 치료 세션에 참여했습니다. 각 세션은 약 1시간 동안 지속되었으며 대부분의 환자는 주당 2회의 세션을 수행했습니다( 그림 1 ). 그 후, 우리는 각 환자가 어떻게 변했는지 연구하기 위해 세 번의 사후 평가를 실시했습니다. 첫 번째 사후 평가는 마지막 치료 세션 직후에 이루어졌고, 다른 사후 평가는 1개월과 6개월 후에 이루어졌습니다.

figure 1 recoverix.com

그림 1 – BCI 치료에서 뇌졸중 환자는 전극 캡을 착용하고 움직이는 손과 같은 이미지를 통해 움직이는 방법을 다시 배우는 데 도움이 되는 모니터를 봅니다. BCI는 움직임 및 촉감(색상 영역)과 관련된 신호를 포함하여 뇌에서 전기 신호를 읽고 움직임이 올바르게 수행되면 환자에게 모니터에 피드백을 제공합니다. 또한 환자가 각 동작을 수행하는 데 도움이 되는 자극 전극이 부착되어 있습니다. BCI 치료는 뉴런이 뇌 가소성이라는 과정을 통해 새로운 연결을 찾기 때문에 운동 기능이 향상됩니다.

RecoveriX는 뇌에서 무엇을 감지하나요?

우리는 세 가지 개별 요소를 측정하여 BCI 치료의 효과를 조사했습니다.

  • BCI 정확도
  • 두뇌 활동
  • 움직임

BCI 정확도 는 운동 이미지 작업에 대한 각 환자의 참여를 측정하는 방법입니다. 높은 BCI 정확도는 환자가 작업에 주의를 기울이고 움직임을 올바르게 상상하고 있음을 나타냅니다. 환자가 어떤 움직임도 상상하지 못한다면 BCI 정확도는 약 50%입니다. 따라서 정확도가 낮다는 것은 환자가 참여하지 않거나 움직임을 올바르게 상상하지 못하고 있음을 나타낼 수 있습니다. 그런 다음 치료사는 환자가 BCI 정확도를 향상하도록 돕기 위해 환자를 지도할 수 있습니다( 그림 2A

figure 2 recoverix.com

그림 2 – (A) 한 환자에 대한 치료 세션 1~31의 BCI 정확도. 처음에는 왼손과 오른손의 움직임을 분류할 때 BCI 정확도가 65%였습니다. 추가 치료 세션을 통해 정확도가 향상되었으며 세션 25에서 100%에 도달했습니다. (B) BCI 치료 31회 세션 전후의 뇌 활성화. 치료 전 흰색은 손과 손가락의 움직임을 생성하는 뇌 활성화가 없음을 나타내고, 치료 후 빨간색은 뇌 활성화가 더 많다는 것을 나타냅니다. C3은 오른손 움직임을 담당하는 뇌 영역 위의 전극 위치 이름입니다

뇌 활동은 BCI 치료 전반에 걸쳐 측정됩니다. 일반적으로 초기 치료 세션에서는 뇌의 운동 영역이 효과적으로 함께 작동하지 않습니다. 치료를 받는 동안 몇 주 동안 뇌의 운동 영역이 훨씬 더 활성화되는 것을 흔히 볼 수 있습니다( 그림 2B ). 그림 2B 의 색상은 움직임에 중요한 영역에 걸쳐 다양한 주파수에서의 뇌 활성화를 나타냅니다. x축은 각 시험의 시간을 나타냅니다. 더 오른쪽에 있는 영역은 재판의 후반 시간을 나타냅니다. y축은 다양한 주파수를 반영합니다. 그래프의 아래쪽 영역은 낮은 주파수(그리스 문자 mu로 표시)이고 그래프의 높은 영역은 높은 주파수(그리스 문자 베타로 표시)입니다.

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BCI 치료의 가장 중요한 효과는 환자의 움직임 회복을 돕는 것입니다 . 그림 3A는 치료사와 과학자가 손목과 손의 움직임을 테스트하는 데 사용하는 도구를 보여줍니다. 환자는 9개의 작은 못을 집어 9개의 작은 구멍에 넣어야 하기 때문에 Nine-Hole Peg Test라고 합니다. 우리는 환자들에게 치료 과정 전반에 걸쳐 양손으로 이 테스트를 여러 번 수행하도록 요청했으며 테스트를 완료하는 데 걸린 시간을 추적했습니다. BCI 치료가 환자의 움직임 회복에 도움이 된다면 치료 세션 동안 환자가 이 테스트를 완료하는 데 걸리는 시간이 감소한 것을 확인했습니다( 그림 3B ).

figure 3 recoverix.com

그림 3 – (A) 9홀 페그 테스트는 손목과 손의 움직임을 테스트하는 데 사용할 수 있습니다. ( B ) BCI 치료 중 한 환자의 손 움직임이 개선되었음을 보여주는 결과. 영향을 받은(오른손) 손으로 작업을 완료하는 데 걸리는 시간은 치료 시작 시 7분 26초에서 28회 치료 후 1분 14초로 감소했습니다. (C) 연구된 모든 환자에 대한 모든 운동 기능 테스트의 요약. 막대가 0보다 높으면 치료 후 움직임이 개선된 것입니다. 49명의 환자는 호전을 보인 반면, 단지 2명의 환자만이 움직임 감소를 보였습니다(한 명은 뇌졸중이 또 발생했고 다른 한 명은 주의를 기울이지 않았습니다).

 

우리는 Nine-Hole Peg Test 외에도 통증, 경직, 집중력, 기억력을 측정하고 환자가 도움이 있을 때와 없을 때 다양한 동작을 얼마나 잘 수행할 수 있는지를 측정하기 위해 많은 테스트를 사용했습니다. 일부 테스트는 환자가 도움 없이 티셔츠를 입을 수 있는지 등 일상 활동에 대해 묻는 설문지에 불과했습니다. 우리는 모든 환자를 대상으로 18번의 테스트를 실시했으며, 통합 테스트 점수가 높을수록 이러한 테스트가 더 크게 개선되었음을 나타냅니다( 그림 3C ). 우리의 결과는 BCI 치료가 대부분의 환자의 움직임을 회복하고/하거나 손과 팔의 경직을 줄이는 데 도움이 된다는 것을 보여주었습니다. 우리는 이 치료법이 80% 이상의 정확도를 달성한 환자에게 더 효과적이라는 것을 발견했습니다. BCI 치료법은 환자가 뇌졸중을 겪은 지 수년이 지난 후에도 효과가 있었습니다. 한 환자는 뇌졸중 후 31년이 지난 후에도 여전히 개선되었습니다! 우리의 결과는 BCI 치료가 환자의 뇌가 자신의 움직임을 더 잘 제어하는 방법을 배우는 데 도움이 되었다는 것을 보여주었습니다.

지금까지 우리의 연구는 팔과 손의 재활에 중점을 두었습니다. 앞으로 우리는 다리가 손상된 뇌졸중 환자에게 BCI 요법을 사용하여 보행 속도를 향상시킬 것입니다. 뇌졸중은 여러 면에서 사람들에게 큰 영향을 미칠 수 있으므로 회복을 돕는 새로운 방법을 모색해야 할 필요성이 큽니다. 우리 그룹과 다른 그룹의 추가 연구 개발을 통해 환자가 다시 업무, 재미, 사교 행사 및 일상 생활 활동을 위한 동작을 수행할 수 있도록 더 나은 치료 방법과 장치를 개발할 수 있기를 바랍니다.

Frontiers For Young Minds , 2021년 10월 1일 에 게재되었습니다 .

용어 사전

반구 : 뇌의 오른쪽과 왼쪽 반구. 왼쪽 반구는 신체 오른쪽의 움직임을 제어하고 그 반대도 마찬가지입니다.

경직 : 이 장애에는 연축(불수의적 움직임), 뻣뻣하거나 긴장된 근육, 통증 및 과도한 반사 신경이 포함될 수 있습니다. 사람들은 자세, 걷기, 일반적인 일상 활동 및 기타 움직임에 어려움을 겪을 수 있습니다.

뇌파도 (EEG) : 머리에 전극을 부착하여 얻은 뇌에서 생성된 자연적인 전기 활동을 측정한 것입니다.
전극 : 소형 센서 저것 감지하다 뇌 활동 . EEG 전극은 일반적으로 캡에 장착된 작은 금속 디스크로, 피부를 관통하지도 않고 통증을 유발하지도 않습니다.

BCI(Brain-Computer Interface) : 뇌 활동을 직접 측정하여 실시간 통신 및 제어를 제공하는 시스템입니다. 대부분의 BCI는 뇌 활동을 측정하기 위해 EEG를 사용합니다.
운동기능 : 신체의 일부를 움직이는 능력.

가소성(Brain Plasticity) : 치료와 같은 새로운 정보와 상황에 적응하기 위해 스스로 변화하는 뇌의 놀라운 능력입니다. 이 능력은 사람들이 뇌졸중 및 기타 부상으로부터 회복하는 데 도움이 됩니다.