current mode stimulation

Intro.

요즘은 잘 모르겠지만, 흔히 어릴적 과학 시간에 개구리 뒷다리나 물고기 등을 과학실 테이블 위에 두고 전기 자극을 준 기억이 있을 것이다.

선생님이 하라니까 한 사람도 있을 거고, 전기 자극을 주면 다리가 움찔움찔 거리며 움직이는 게 재미있어서 신나서 한 사람도 있을 것이고...

지금 하고 있는 연구 주제도 비슷한 맥락이다.

오늘은 프로젝트 소개 겸 앞으로 진행 방향등에 대해서 적당히 끄적이는 시간을 갖으려고 한다.

먼저, 신경 세포는 membrane이라고 하는 일종의 막에 둘러 싸여있다. 이 막을 기준으로 안과 밖의 K, 칼륨(potassium) 이온과 Na, 나트륨(sodium) 이온의 농도 차이로 막 전위가 발생하게 되고, 여러 물리적 화학적 작용에 의하여 막전위는 분극, 탈분극, 과분극 등의 과정을 거쳐 신경 신호가 전달되게 된다.

아래의 그림은 brain facts라는 저널에서 가져온 사진이다. 추가로 궁굼한 부분이 있으면 찾아보길...

이러한 신경 신호의 전달이 체내의 불균형이나 사고 등에 의한 신체적 장애로 잘 이루어 지지 않을 경우, 전기적 자극을 주어서 그 신호 전달 기능을 대신 해주는 것이 신경 보철이다. 가장 성공적으로 널리 사용되는 것은 인공 와우, cochlear implant이다.

이미지 출처 : https://hearinglosscure.stanford.edu/research/targeted-neural-stimulation/ 

다들 아는 귀의 구조 중에서 물리적 신호(진동)을 전기적 신호로 변환하여 뇌로 전달하는 곳이 달팽이관이다. 이런 달팽이 관에 마이크로 전극을 삽입하여 잃어버린 청세포의 기능을 대신 해주는 것이 인공 와우로, 수 십년 전에 연구가 시작되어 이제는 FDA 승인을 받고 상용화가 다 되어있는 웨어러블 기기이다. 이러한 인공 와우의 성공에 힘입어 사람들이 그 다음 목표로 정한 것이 인공 망막, retinal prosthesis이다.

주로 망막 색소 변성증(retinitis pigmentosa)이나 황반 변성(Age-related Macular Degeneration)으로 시력을 잃었을 때, 신경 보철을 사용하게 된다. 사람의 시각 처리 순서는 크게 두 단계로 나뉘는데, 먼저 수정체를 통해 빛이 들어와 망막의 시세포에 빛 자극을 주게 되고, 일명 광수용기라고 불리는 이 세포는 빛에 민감하게 반응하여 전기적 신호를 내보내게 된다. 이 전기 신호는 명암과 원근을 구분하는 세포들을 줄줄이 지나 retinal ganglion cell에 최종적으로 도달하게 된다. 여기서 시신경으로 연결이 되어 뇌까지 시각 신호가 전달되게 되는데, 위의 두 질병은 모두 빛을 전기 신호로 바꿔주게 되는 세포가 퇴화되게 되면서 시력을 잃게 된다. 

그래서 사용되는 것이 인공 망막이다. 현재는 Second Sight라고 하는 미국 기업이 FDA 승인을 받아 실제 환자들에게 웨어러블 기기를 부착하여 시력 회복을 돕고 있다. (궁금하면 한 번 구경해보는 것도 좋다. 새컨드 사이트 홈페이지 http://www.secondsight.com/ )

작년에 학회에 갔을 때, 이 회사의 기기를 부착하고 오신 분을 뵈었는데, 그분의 소감이 인상적이었다. 자세하게 적을 수는 없지만, 앞을 전혀 못보던 사람이 사물의 형태를 구분하고, A4 정도 크기의 글씨는 잘 읽을 수 있다고 한다. 그것 만으로도 놀랍기는 했지만, 사실 인공 망막에 대한 연구는 십년이 훌쩍 넘도록 계속 되어 왔고, 인공 와우 연구가 내놓은 성과에 비해 시간 대비 그 진척이 느리고 할 수 있다. 

(시간 상으로는 이미 일반 사람들과 똑같이 봐야하는 건데...)

눈이 워낙에 세포가 밀집되어 있고 복잡하고 섬세한 기관이라 나노 단위의 전극과 기기들을 이용해야 좀 더 정확한 고해상도의 자극을 할 수 있기 때문에 아직까지도 많은 연구가 필요한 상황이다. (현재 연구중인 사람으로서는 다행이지만...)

아무튼, 그래서 현재 진행 상황을 정리하면, 예를 들어 책상은 보이지만 책상 밑에 조금 삐져나온 가방은 잘 인식하지 못해 걸려 넘어지는 경우가 있다고 한다. 그리고 글씨를 읽을 때도 스마트폰 화면에 알파벳 몇개만 크게 띄워야 읽을 수 있다고 하고. 연구 시간이 길어지면서 사람들의 기대치도 점점 높아지게 되어서 이제는 앞을 보고 얼굴을 볼 수 있는 정도는 한달이면 그 놀라움이 사라진다고 한다. 사용 시간도 반나절정도 뿐이니 가격 대비, 기대에 비해 성능이 떨어지는 건 맞는 것 같다.  

결과적으로 그래서 필요한 건 나노 단위의 미세 전극과 저전력 시스템에서 유효한 스팟에 효율적으로 전기 자극을 주는 것이다. 사람의 몸안에 넣는 것이기 때문에 기본적으로 고려해야 할 사항이 많은데, 이는 차차 설명하기로 하고, 

이번 프로젝트의 목적은 current steering을 이용하여 전류를 (집중)focus 시키는 자극 방법을 알아내자! 로 정해졌다.