센서 융합형 재생 말초 신경 인터페이스 (Regenerative peripheral nerve interface)의 바이오닉 인터페이스로서의 잠재력을 확인하기 위한 토끼 모델 실험 연구

Abstract

연구 목적 절단 수술은 다양한 원인으로 이루어지며, 대표적인 원인으로는 외상, 관상동맥질환, 당뇨병 합병증 등이 있다. 노령 인구의 증가와 만성 질환의 확산으로 인해 절단 수술의 빈도는 늘고 있으며 특히 당뇨병으로 인한 하지 절단은 꾸준한 증가세를 보이고 있다. 현재 사지 절단 환자 대상 치료법은 수술과, 의지 적용의 두 가지 선택지로 나눌 수 있다. 이 중 의지 기술은 현재 많이 개선되어 동종 이식수술의 단점을 뛰어넘으면서 그 적응증을 세분화하는 수준에까지 와 있다는 연구도 있다. 그러나 바이오닉 의지가 절단된 사지의 기능을 완전히 대체하기 위해서는 직관적인 조작이 필수적이며 이를 위해서는 사용자의 의도가 정확하게 파악되고 그 파악된 움직임을 의지의 기계부에 효과적으로 전달되는 회로가 있어야 한다. 재생말초신경인터페이스 (RPNI - Regenerative Peripheral Nerve Interface) 수술은 신경절단 단에 원통 형태의 비혈관화된 유리 근육이식편을 고정하는 비교적 간단한 수술법으로 미국 미시간 대학교를 위시한 여러 연구에서 이 인터페이스를 통해 로봇 의지를 작동하는 데에 성공한 바 있다. 그러나 아직까지 효과적인 신호 획득을 위해서는 미리 작성되어있는 신경 인터페이스로 외부로부터 전극을 직접 삽입하는 비교적 침습적인 방법을 사용하도록 되어 있다 본 연구에서는 센서를 신경 인터페이스 작성 단계에서 함께 삽입하는 센서 융합형 신경 인터페이스를 만들고 이 인터페이스의 장기간 삽입시의 생물학적 안정성과 재신경화 정도, 신경 생리학 검사를 통한 원심성 (efferent) 신호 획득 인터페이스로서의 잠재력을 확인하고자 한다.

연구 방법 총 5마리의 New Zealand White (NZW) 토끼 (3.0 - 3.3 kg)을 대상으로 실험을 진행하였다.

1. 센서 융합형 신경 인터페이스 모델 생성 토끼의 뒷다리에 무릎 위쪽 부위부터 상전장골극 (ASIS) 으로부터 전방 3cm 부위까지 허벅지 외측에 절개를 시행하였다. 앞쪽 및 뒤쪽으로 충분히 피하층 박리를 시행한 후 심부근막을 열고 대퇴이두근과 외측광근 사이의 격막을 박리하여 좌골신경을 박리하였다.

이후 좌골신경 말단에서 경골신경, 비골신경, 비복신경이 분지되는 부위까지 박리를 시행하였다.

2. 전기생리학적 검사 신경전도검사는 수술 후 4주일이 되는 시점에 두 번 시행하였다. 신경 자극을 위하여 신경 인터페이스로부터 약 3cm근위부의 좌골신경에 2채널 커프 전극 (Nerve Cuff Electrodes; MicroProbes)을 위치시켰다. 자극 신호는 양극형 (bipolar) 신호로 1분간 12회 가하였다. 전기 자극 매개변수는 50 마이크로초(μs) 의 길이로 50 μA, 100 μA, 150 μA, 200 μA, 250 μA, 300 μA의 강도를 적용하였다.

3. 병리조직 채취 수술 후 29주일이 되는 시점에 기존 시술부위에서 병리조직을 채취하여 조직 검사 및 검경을 시행하였다. 병리조직은 Haematoxylin & Eosin (H&E) 염색 및 Bungarotoxin, Desmin, NF200 면역형광염색을 시행하였다. 병리조직 채취는 센서 융합형 RPNI 및 정상 대퇴사두근 근육, 탈신경화 (de-neurotized) 비복근, 정상 경골신경-비복근 신경근 접합부위로부터 각각 획득하였다.

4. 통계 분석 각 신호 강도별 최대 신호 진폭 (peak amplitude)의 평균값을 분산분석 (Analysis of variance, ANOVA) 를 통해 분석하였고 각 군간의 차이를 Tukey post hoc 검정을 통해 비교하였다. 또한 병리조직검사 중 면역 형광염색의 염색 정도 및 면적을 RPNI, 정상 대퇴사두근 근육, 탈신경화 비복근, 정상 경골신경-비복근 신경근 접합부위의 각각의 군에서 Image J 프로그램을 통해 구하였다. 각 면적 및 염색 강도를 t-test를 통해 비교하였다. 통계분석은 IBM SPSS Version 21.0 (IBM Corp., Armonk, N.Y.) 프로그램을 사용하여 시행하였으며, 통계적 유의성의 기준은 p값이 0.05 미만인 경우로 설정하였다.

결과 1. 신경전도검사 결과의 비교

분산분석 결과상 각 자극세기에 따른 피크신호의 강도에 유의한 차이가 있었다. (p- value <0.001) 50 μA, 100 μA, 150 μA 에서 평균 피크 신호의 강도는 200 μA, 250 μA, 300 μA 와 유의한 차이를 보였으며 50 μA, 100 μA, 150 μA 군간과 200 μA, 250 μA, 300 μA 군 간에는 피크 신호의 강도에 유의한 차이가 없었다.

2. 조직학적 검사 Bungarotoxin 염색에서는 탈신경근육조직에서 형광염색의 범위가 가장 작았다. 독립 t- test상 센서융합 말초신경인터페이스에서의 형광염색범위는 정상 신경근접합부의 범위와 유의한 차이를 보이지 않았으며 (p=0.249) 탈신경근육조직과는 유의한 차이를 보였다. (p=0.046) NF200 면역형광 염색 범위는 t-test 검정상 정상 신경근 접합부와 탈신경 근육간에 유의한 차이가 있었으며 (p=0.002) 센서융합 말초신경인터페이스의 염색 범위와 탈신경 근육 간에도 차이가 있었다. (p=0.004) 정상 신경근 접합부와 말초신경 인터페이스간에는 유의한 차이를 보이지 않았다. (p=0.297) Vimentin 면역형광 염색 범위는 t-test 검정상 센서 융합 말초신경 인터페이스에서 정상근육, 탈신경근육, 정상 신경근 접합부에서 모두 유의한 차이를 보였다. (p<0.001)

결론 본 연구는 신경 절단면과 유리 근육 사이에 센서를 삽입하여 작성한 신경 융합형 재생 말초신경 인터페이스의 장기적 생물학적 안정성과 신호 획득 매개로서의 유효성을 중대동물 모델에서 구현한 연구이다. 본 기술이 안정화 될 경우 작성 단계부터 센서를 삽입하기 때문에 추후 센서 전극 삽입시 발생할 수 있는 부작용 및 교란 요인을 최소화 하면서 신경으로부터 나오는 작은 신호를 증폭하는 재생신경 인터페이스의 장점을 극대화 할 수 있다는 점에서 추후 바이오닉 의지의 핵심 기술로서 작용할 가능성이 높다.