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[바이오토픽] 인공시각(artificial sight)을 이용한 실명 치료, 최신 동향
의학약학 양병찬 (2019-11-04 09:10)

Schematic illustration of the artificial retina functioning

Schematic illustration of the artificial retina functioning. / @ ResearchGate

2014년 미국의 규제당국은 실명(blindness)에 대한 미래지향적 치료법을 승인했다. 이름하여 「아르고스 II(Argus II)」라는 장치는 '안경에 장착된 카메라'에서 눈 뒤에 있는 '3 x 5 mm의 전극격자'에 신호를 보낸다. 그 장치의 임무는, 색소성망막염(retinitis pigmentosa)이라는 유전병에서 상실된 광감지세포의 신호를 대체하는 것이다. 「아르고스 II」의 제조사인 세컨드사이트(Second Sight)의 추산에 따르면, 전 세계에서 약 350명의 사람들이 그 장치를 사용하고 있다. 그러나 「아르고스 II」는 비교적 조악한 형태의 인공시각을 제공하므로, 사용자들은 분산된 광점(sopt of light)—이것을 섬광시(phosphene)라고 한다—을 볼 수 있을 뿐이다. "맹인 중에서 흰지팡이와 안내견을 포기한 사람은 아무도 없다"라고 스탠퍼드 대학교에서 시각보철(visual prosthesis)을 연구하는 대니얼 팔랜커(물리학)는 말한다. "그것(흰지팡이와 안내견)은 매우 낮은 바(bar)여서, 림보의 달인도 통과할 수 없다."

그러나 그건 시작에 불과했다.

팔랜커를 비롯한 전문가들은, 눈(目)이나 뇌(腦)의 세포들을 더욱 정밀하게 자극함으로써 림보 막대를 높이려 노력하고 있다. 지지난주 일리노이주 시카고에서 열린 신경과학회 연례회의(Society for Neuroscience)에서, 과학자들은 그런 노력들을 공유했다. "어떤 것들은 이미 임상시험 단계까지 발전했다"라고 팔랜커는 말한다. "진짜로 최종 테스트 단계에 있다. 바야흐로 흥미로운 시대가 열리고 있다."

수많은 '흔한 장애'들이 광수용체(photoreceptor)를 파괴함으로써 시각을 훔치는데, 광수용체는 눈에서 뇌까지 정보를 보내는 릴레이의 첫 번째 주자(세포)다. 그런데 정보전달 릴레이의 다른 주자들은 종종 멀쩡하다. 예컨대 광수용체의 신호를 접수하는 양극세포(bipolar cell)가 그렇고, 시신경을 형성하고 시각신호를 뇌에 전달하는 망막신경절 세포(retinal ganglion cell)가 그렇다. 또한 정보를 체계화하여 의미있는 시각으로 만드는, 후두엽의 다층성 시각피질(visual cortex)이 그렇다.

공간의 인접한 점들은 망막상의 인접한 점으로 투사되고, 궁극적으로 시각피질의 초기처리영역에서 인접한 점들을 활성화시키므로, 하나의 시각적 장면은 신호의 공간적 패턴에 덮어씌울 수 있다. 그러나 이런 공간적 매핑(spatial mapping)은 릴레이 과정에서 더욱 복잡해지므로, 일부 연구자들은 가능한 한 출발점에 가까운 세포를 활성화시키려 노력하고 있다.

팔랜커가 이끄는 연구팀은 약 400개의 광다이오드(화소)로 구성된 망막 임플란트를 설계하여, 망막의 공간지도 중 일부를 대체했다. 바깥세상의 비디오 스트림이 안경 안쪽에서 근적외선으로 발사되면, 이식물의 화소들이 그것을 전기신호로 전환시켜 망막의 양극세포를 자극한다. 파리에 본사를 둔 픽시움비지옹(Pixium Vision)은 광수용체가 파괴된 황반변성 환자들을 대상으로 이 장치를 시험하고 있다. 지난주 시카고에서 열린 회의에서, 팔랜커는 약 1년 동안 보철을 이식받은 참가자들이 테이블 위의 물건들을 인식하고, 인쇄물이나 스크린의 문자들을 읽는 장면이 담긴 동영상을 보여줬다. "인공시각은 책의 제목을 읽을 정도지만, 책장에 적힌 단어는 읽지 못한다"라고 팔랜커는 말한다. 그가 이끄는 연구팀은 신호의 강도를 낮추지 않는 범위에서 광다이오드를 축소하여, 화소의 크기를 줄이고 시각을 선명하게 하는 방안을 연구하고 있다.

A grid of photodiodes, implanted in the eye of a person with macular degeneration, is one of several devices under development to restore vision. Pixium Vision/ NewScientist

눈을 전기적으로 자극하는 것 이상의 정밀도를 얻기 위해, 다른 연구팀들은 광유전학(optogenetics: 빛을 이용하여 세포를 활성화시키는 기법)에 눈을 돌리고 있다. 파리에 본사를 둔 젠사이트 바이올로직스(GenSight Biologics)가 실시한 임상시험에서, 연구자들은 다섯 명의 색소성망막염 환자들의 눈에 광감지단백질 유전자를 적재한 무해한 바이러스를 주입했다. 그러자 망막신경절 세포들이 그 유전자를 받아들여, 눈에 투사된 적색광에 반응하는 것으로 나타났다. "임상시험 참가자들이 유용한 시각을 얻을 것인지 여부는 내년에 판가름 날 것이다"라고 피츠버그 의대와 파리의 시각연구소에서 그 기술을 테스트하고 있는 호세-알랭 사헬은 말했다.

그러나 망막세포를 겨냥하는 치료법은, 부상으로 인해 눈의 상당부분을 상실했거나 질병(예: 녹내장)으로 인해 시신경이 심각하게 손상된 환자들에게는 도움이 되지 않는다.

세컨드사이트는 60개의 전극으로 구성된 오리온(Orion)으로 환자들을 치료할 계획인데, 오리온은  시각피질에 직접 이식되어, 안경에 장착된 비디오 카메라가 뇌에 보내는 신호를 접수한다. 약 1년간 오리온을 이식받은 다섯 명의 맹인 환자들 중 네 명은, 까만 화면 위에 나타난 주먹만 한 크기의 하얀 정사각형의 위치를 잘 파악할 수 있었다. 그리고 다섯 명의 환자 전원은 화면을 가로지르는 하얀색 막대의 방향을 잘 탐지했다. "임상시험 결과는 고무적이다"라고 캘리포니아주 실마에 있는 세컨드사이트의 과학연구 책임자 제시 돈은 말했다.

뇌의 표면에 이식된 전극에는 몇 가지 결점이 있다. 첫째로, 조직 아래에 위치하는 표적뉴런(target neuron)을 활성화하려면 비교적 강한 전류가 필요하기 때문에, 여러 개의 전극을 동시에 활성화하면 경련을 촉발할 위험이 있다. 둘째로, 이웃하는 전극들을 활성화하면, 그 사이에 있는 조직을 자극함으로써 두 개의 시점(視點)을 하나의 방울(blob)로 융합할 수 있다. 그러나 이번 회의에서, 세컨드사이트의 공동연구자인 베일러 의대의 과학자들은 "60개의 전극이 60개 이상의 지점에 섬광시를 생성할 수 있다"는 증거를 제시했다. 그들은 전류지향(current steering)이라는 기법을 채용했는데, 이것은 달팽이관 이식물을 이용해 음높이 지각(pitch perception)을 향상시키는 데 이미 사용되고 있다.

시각피질 깊숙이 침투한 전극은 표적뉴런에 더욱 가까이 접근하므로, 낮은 전류를 이용하여 조직의 '작은' 지점을 '정밀하게' 활성화할 수 있다. 네덜란드 신경과학연구소 소속 피터르 룰프세마(신경과학) 연구실의 싱천(Xing Chen)은 이번 회의에서, 두 마리의 원숭이를 대상으로 1,000개의 전극으로 구성된 임플란트를 시각피질 깊숙이 이식한 결과를 공개했다. 연구자들은 10~15개의 전극들을 동시에 활성화함으로써, 원숭이들로 하여금 시야에 갑자기 나타난 상이한 문자들을 구별할 수 있게 했다. 룰프세마는 2023년 인간을 대상으로 한 임상시험을 수행할 계획이다.

"궁극적으로, 이식된 와이어 주변에 형성된 흉터가 임플란트를 표적뉴런으로부터 격리할 수 있다"라고 SUNY 다운스테이트 보건과학대학의 스티븐 매크닉(신경과학)은 경고했다. "그런 임플란트는 시각피질을 망가뜨리므로, 사용자들의 시각을 별로 개선시키지 않을 것이다." 그의 주장에 따르면, 광유전학의 전망이 더 밝으며, 침투성 전극(penetrating electrode)은 비윤리적이라고 한다. 매크닉은 이번 회의에서 OBServ라는 기술을 선보였는데, 그 내용인즉 "뇌의 기저부에 있는 중간기지국(waystation)과 시각피질을 연결하는 뉴런에 (빛을 감지하는) 옵신 유전자를 추가하는 것"이다. 그의 설명에 따르면, 옵신 유전자가 추가된 뉴런은 뇌의 표면에서 반짝이는 광선에 의해 활성화될 수 있다고 한다.

OBServ와 같은 피질 광유전학 시스템(cortical optogenetic system)은 가까운 시일 내에 임상에 도입될 수 없다. 연구자들은 바이러스가 (수년 동안 지속되는) 옵신 유전자를 특정 뉴런에 안전하고 확실하게 전달할 수 있음을 증명해야 한다. 또한 두개골 밑에 이식된 장치는 매우 정밀하고 컴팩트해야 하며, 뇌에 광선을 발사하는 동안 수시로 신경활성 상태를 모니터링하여 영점조정(calibration)을 해야 한다.

그러나 많은 연구자들에 의하면, 뇌에 초정밀 시각을 부여하는 데 있어서 가장 큰 걸림돌은 훨씬 더 근본적인데, 그 내용인즉 "뇌가 어떤 자극패턴을 해석할 수 있느냐?"라는 것이다. "예컨대 '100만 개의 전극'이나 '완벽한 공간적 광유전학적 활성화(spatial optogenetic activation)'가 가능하다고 해서 모든 문제가 해결된 건 아니다"라고 베일러 의대의 윌리엄 보스킹은 말했다. "우리는 시각피질과 대화하는 방법을 배워야 한다."

※ 출처: Science http://www.sciencemag.org/news/2019/10/new-technologies-promise-sharper-artificial-vision-blind-people

 

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
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