뇌심부자극술
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1. 개요
뇌심부자극술(DBS)은 뇌의 특정 부위에 전기 자극을 가하여 신경 회로의 기능을 조절하는 치료법이다. 자극 발생기, 전극선, 연장선으로 구성되며, 파킨슨병, 본태성 떨림, 근긴장이상증, 강박 장애, 간질, 뚜렛 증후군, 주요 우울 장애, 만성 통증 등에 적용된다. 뇌심부자극술은 뇌의 특정 영역에 고주파 전기 펄스를 보냄으로써 증상을 완화하고, 약물 복용량을 줄이거나 약물 요법을 더 견딜 수 있게 하지만, 출혈, 감염, 신경정신과적 부작용 등의 위험이 있다. 최근에는 적응형 뇌심부 자극술(aDBS) 기술이 개발되어 뇌 신호에 따라 자극을 조절하는 방식으로 발전하고 있다.
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| 뇌심부자극술 | |
|---|---|
| 시술 개요 | |
 | |
| 분야 | 신경외과 |
| 메쉬 아이디 | D046690 |
| 메들라인플러스 | 007453 |
| 의학적 정보 | |
| 국제질병분류기호 (ICD-10) | 해당사항 없음 |
| 국제질병분류기호 (ICD-9) | 해당사항 없음 |
| 미국 의사협회 시술 코드 (CPT) | 해당사항 없음 |
| 상세 정보 | |
| 영어 명칭 | Deep brain stimulation (DBS) |
| 일본어 명칭 | 脳深部刺激療法 (Nōshinbu shigeki ryōhō) |
2. 구성과 설치
뇌 심부 자극 시스템은 크게 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다: 자극 발생기(Implanted Pulse Generator, IPG), 전극선(Lead), 그리고 연장선(Extension).[11][90]
- 자극 발생기(IPG): 배터리로 작동하며 전기 펄스를 생성하는 신경 자극기이다. 티타늄 하우징 안에 들어 있으며, 보통 환자의 쇄골 아래 피부 밑에 삽입된다.[11][90]
- 전극선(Lead): 뇌 심부의 특정 목표 지점에 삽입되어, 자극 발생기로부터 전달된 전기 신호를 직접 뇌 조직에 전달하는 가느다란 선이다.[11][90] 끝에는 여러 개의 전극 접촉자가 있어 정밀한 자극 조절이 가능하다.[90]
- 연장선(Extension): 피하 조직을 통해 자극 발생기와 뇌 속의 전극선을 연결하는 절연된 도선이다.[11][90]
이 세 가지 구성 요소는 모두 외과적 수술을 통해 환자의 몸 안에 이식된다.
2. 1. 자극 발생기 (IPG)
자극 발생기(Implantable Pulse Generator, IPG)는 뇌심부자극술 시스템의 세 가지 주요 구성 요소 중 하나로, 다른 두 요소는 전극선(lead)과 연장선(extension)이다.[90] IPG는 배터리로 작동하는 신경 자극기로, 티타늄 재질의 하우징 안에 들어 있다.[11][90] 이 장치는 뇌의 특정 목표 부위에 전기 펄스(자극)를 보내 신경 활동을 조절하는 역할을 한다.[11]IPG는 일반적으로 환자의 쇄골 아래 피하 조직에 삽입되지만, 드물게 복부에 위치하기도 한다.[11][90] 삽입된 IPG는 연장 도선(extension cable)을 통해 뇌에 삽입된 전극선과 연결된다.[90]
IPG의 설정은 환자의 증상을 효과적으로 관리하고 부작용을 최소화하기 위해 의사, 간호사 또는 숙련된 기술자에 의해 정밀하게 조정될 수 있다.[11][12] 의사용 프로그래머를 사용하여 환자의 가슴 부위(IPG 삽입 부위)에서 무선으로 IPG의 상태를 확인하고 자극 조건을 설정한다.[90] 환자 역시 제공되는 리모콘을 사용하여 스스로 장치를 켜고 끄거나, 배터리 잔량을 확인하는 등의 기본적인 조작을 할 수 있다.[90]
IPG 내부에는 배터리가 내장되어 있으며, 배터리가 소모되면 교체 수술이 필요하다. 배터리의 수명은 자극 조건이나 강도에 따라 달라지지만, 일반적으로 5~6년에 한 번 교체한다.[90] 최근에는 기술 발달로 기기가 소형화되어 두개골 내에 직접 삽입하여 연장 도선이 필요 없는 형태나, 비접촉 충전 방식을 지원하는 새로운 형태의 IPG도 개발되고 있다.[90]
2. 2. 전극선 (Lead)
전극선(Lead)은 뇌심부자극술 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나로, 뇌의 특정 부위에 전기 자극을 전달하여 신경 회로의 작용을 조절하는 역할을 한다.[90]전극선은 일반적으로 폴리우레탄으로 절연된 코일 형태이며, 끝부분에는 4개의 백금-이리듐 합금 전극 접촉자가 달려 있다.[11] 이 접촉자들을 통해 자극 발생기(IPG)에서 생성된 전기 신호가 뇌 심부의 목표 지점으로 전달된다.[90] 삽입 후에는 4개의 접촉자 중 어떤 것을 음극 또는 양극으로 사용할지 선택하여 자극 효과를 미세하게 조절할 수 있다.[90]
전극선이 삽입되는 뇌의 위치는 치료하고자 하는 증상에 따라 신중하게 결정된다. MRI 영상 등을 이용해 목표 신경핵의 위치를 정확히 파악한 후, 정위 수술 기법을 통해 전극선을 해당 위치에 정밀하게 삽입한다.[14][90] 주요 증상별 목표 위치는 다음과 같다.
| 증상 | 목표 뇌 부위 |
|---|---|
| 비파킨슨병성 본태성 떨림 | 시상의 복내측핵 또는 무명대[13] |
| 파킨슨병 (경직, 운동 완만/무운동증, 떨림) 및 근긴장 이상 | 내부 담창구 또는 시상하핵[13] |
| 강박 장애 및 우울증 | 측좌핵 |
| 멈추지 않는 통증 | 후 시상 영역 또는 수도관 주변 회색질 |
| 간질 | 시상 전핵 |
뇌 속에 삽입된 전극선은 연장선(Extension Cable)을 통해 자극 발생기(IPG)와 연결된다. 연장선은 보통 머리 옆 피부 밑을 따라 귀 뒤쪽으로 내려와 목을 지나, 쇄골 아래 또는 드물게 복부 피부 밑에 이식된 IPG까지 이어진다.[11][90]
2. 3. 연장선 (Extension)
연장선(Extension Cable)은 전극선과 자극 발생기를 연결하는 절연된 도선이다.[11] 일반적으로 쇄골 아래 또는 드물게 복부 피하에 위치한 자극 발생기에서 시작하여, 목 뒤쪽 또는 측경부 피하를 지나 귀 뒤로 올라가 두피 아래를 거쳐 머리의 전극선과 연결된다.[11]2. 4. 설치
뇌심부자극술 시스템의 세 가지 구성 요소(자극 발생기, 전극선, 연장선)는 모두 외과적 수술을 통해 몸 안에 이식된다.전극선(리드) 이식은 국소 마취 또는 전신 마취("수면 DBS") 하에서 이루어질 수 있다. 정위 수술 방식으로 진행되는데, 먼저 두개골에 직경 약 14mm의 구멍(버홀)을 뚫는다. 이후 MRI 영상 등을 이용해 목표 위치를 확인하고, 프레임 기반 또는 프레임리스 정위 기법을 사용하여 프로브 전극을 뇌의 목표 부위에 정확하게 삽입한다.[14] 국소 마취 하의 각성 수술 중에는 환자의 피드백을 통해 영구 전극의 최적 위치를 결정하기도 한다. 전신 마취 하의 수면 수술 중에는 수술 중 MRI 유도 하에 뇌 조직과 장치를 직접 보면서 삽입한다.[15]
자극 발생기(IPG)와 연장선 설치는 전신 마취 하에 이루어진다.[16] 자극 발생기는 보통 쇄골 아래 또는 드물게 복부의 피하에 위치시킨다. 연장선은 전극선과 자극 발생기를 연결하는 도선으로, 머리에서 귀 뒤를 지나 목 측면 피하를 따라 자극 발생기가 있는 가슴 부위까지 이어진다.[11]
뇌의 오른쪽 반구는 신체의 왼쪽 증상을, 왼쪽 반구는 오른쪽 증상을 통제한다.
3. 작용 기전
뇌심부 자극술(DBS)의 정확한 작용 기전은 아직 완전히 밝혀지지 않았다.[84][92] 현재까지 여러 가설이 제시되고 있는데,[85][86] 주요 가설들은 다음과 같다.
- '''탈분극 차단''': 전기 자극이 전극 주변 뉴런의 활동(출력)을 직접 차단한다는 가설이다.
- '''시냅스 억제''': 자극 전극 근처의 뉴런과 연결된 축삭 종말을 활성화시켜, 간접적으로 뉴런의 활동을 조절한다는 가설이다.
- '''탈동기화''': 뉴런의 비정상적인 집단적 진동 활동을 흩뜨려 놓는다는 가설이다.
- '''역행성 활성화''': 자극이 신경 신호의 일반적인 방향과 반대로 전달되어, 멀리 떨어진 뉴런을 활성화하거나 차단하며, 느린 축삭의 신호 전달을 막는다는 가설이다.[2]
뇌심부 자극술은 과거에 시행되었던 담창구 절제술(담창구의 외과적 절제)이나 시상 절제술(시상의 외과적 절제)과 같은, 뇌 조직을 영구적으로 파괴하는 수술법을 대체하는 발전된 치료법으로 여겨진다.[87] 뇌 세포나 신경 전달 물질의 생리에 뇌심부 자극술이 미치는 직접적인 영향에 대해서는 아직 연구가 진행 중이지만, 특정 뇌 영역에 고주파 전기 펄스를 전달함으로써 파킨슨병과 같은 질환의 증상을 완화하고,[88] 약물 치료로 인한 부작용을 줄여[89] 약물 복용량을 감소시키거나 약물 치료의 효과를 높이는 데 기여하는 것으로 알려져 있다.
3. 1. 탈분극 차단
뇌심부 자극술의 정확한 작용 기전은 아직 명확히 밝혀지지 않았으며[84], 여러 가설이 제시되고 있다.[85][86] 그중 하나인 탈분극 차단 가설은 뇌심부자극술에 사용되는 전기적 전류가 전극 주변이나 전극이 위치한 곳의 뉴런 활동을 직접적으로 억제하거나 차단한다고 설명한다. 즉, 전기 자극이 뉴런의 정상적인 신호 전달(출력)을 막는다는 것이다.3. 2. 시냅스 억제
뇌심부 자극술의 작용 기전 중 하나로 제시되는 가설이다.[85][86] 이 가설에 따르면, 자극 전극 근처의 뉴런과 시냅스 연결을 가진 축삭 종말을 활성화시켜 뉴런의 출력을 간접적으로 조절하는 방식으로 작동한다.3. 3. 신경 활동의 탈동기화
뇌심부 자극술의 작용 기전을 설명하려는 다양한 가설 중 하나는 뉴런의 비정상적인 진동 활동을 탈동기화하는 것이다.[85][86]3. 4. 역행성 활성화
역행성 활성화는 원거리 뉴런을 활성화하거나 차단하며, 또는 느린 축삭을 차단하는 방식으로 작용한다는 가설이다.[2]3. 5. 생화학적 기전
쥐의 시상 조각을 이용한 실험에서는 심부 자극이 성상교세포에서 ATP를 방출하도록 유도하며, 이 ATP는 아데노신으로 전환되는 것으로 나타났다. 이렇게 생성된 아데노신은 아데노신 A1 수용체를 활성화시켜 시상에서의 흥분 전도를 억제하는 효과를 보이는데, 이는 병변(lesion) 효과와 유사한 억제 작용을 하는 것으로 해석된다.그러나 뇌심부 자극술의 정확한 작용 기전은 아직 완전히 밝혀지지 않았다.[84] 현재까지 여러 가설이 제시되고 있다:[85][86]
# 탈분극 차단: 전기 자극이 전극 주변 뉴런의 활동(출력)을 직접 차단한다는 가설이다.
# 시냅스 억제: 자극 전극 근처의 뉴런과 연결된 축삭 종말을 활성화시켜, 간접적으로 뉴런의 활동을 조절한다는 가설이다.
# 탈동기화: 뉴런의 비정상적인 집단적 진동 활동을 흩뜨려 놓는다는 가설이다.
# 역행성 활성화: 자극이 신경 신호의 일반적인 방향과 반대로 전달되어, 멀리 떨어진 뉴런을 활성화하거나 차단하며, 느린 축삭의 신호 전달을 막는다는 가설이다.[2]
뇌 세포와 신경 전달 물질의 생리에 뇌심부 자극술이 미치는 직접적인 영향에 대해서는 아직 논쟁이 진행 중이다. 하지만 특정 뇌 영역에 고주파 전기 펄스를 전달함으로써 파킨슨병과 같은 질환의 증상을 완화하고,[88] 약물 치료로 인한 부작용을 줄여[89] 약물 복용량을 감소시키거나 약물 치료의 효과를 높이는 데 기여하는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고, 자세한 작용 기전은 여전히 불분명한 상태이다.[92]
4. 적용
뇌심부자극술(Deep Brain Stimulation, DBS)은 특정 뇌 부위에 전기 자극을 전달하여 신경 회로의 비정상적인 활동을 조절하는 치료법이다. 이는 다양한 신경계 및 정신 질환의 증상을 관리하는 데 사용되며, 특히 약물 치료나 다른 치료법에 잘 반응하지 않는 환자들에게 중요한 치료 대안이 될 수 있다.
뇌심부자극술은 다음과 같은 다양한 질환의 치료에 적용되고 있다.
- 운동 장애: 파킨슨병 환자의 진전(떨림), 강직, 서행증(운동 느림)과 같은 주요 운동 증상을 완화하는 데 널리 사용된다. 또한, 약물 치료로 조절되지 않는 본태성 떨림이나 근육긴장 이상증으로 인한 불수의적인 근육 수축 및 비정상적인 자세를 개선하는 데에도 효과를 보인다.
- 간질: 약물로 조절하기 어려운 난치성 간질 환자의 발작 빈도와 심각도를 줄이기 위한 보조 치료법으로 승인되어 사용된다.
- 정신 질환: 기존 치료법에 반응하지 않는 심각한 강박 장애(OCD) 환자의 증상 완화를 위해 제한적으로 사용되며, 주요 우울 장애(MDD)에 대한 효과도 연구되고 있다.
- 뚜렛 증후군: 다른 치료법으로 효과를 보지 못한 심한 틱 증상을 가진 일부 성인 환자에게 실험적으로 적용되기도 한다.
- 만성 통증: 특정 유형의 만성 통증, 특히 다른 치료에 반응하지 않는 신경병증성 통증이나 암성 통증 완화를 위해 고려될 수 있다.
뇌심부자극술은 질병 자체를 근본적으로 치료하는 것이 아니라, 관련된 증상을 조절하여 환자의 기능적 능력을 향상시키고 삶의 질을 개선하는 것을 주된 목표로 한다. 각 질환에 따라 최적의 효과를 얻기 위해 목표로 하는 뇌의 특정 핵이나 경로가 다르며, 시술 결정과 계획 수립에는 신경과, 신경외과, 정신건강의학과 등 여러 분야 전문가들의 종합적인 평가가 필수적이다. 미국 식품의약국(FDA)을 비롯한 여러 국가의 규제 기관에서 특정 질환에 대한 뇌심부자극술의 사용을 승인하였다.
4. 1. 파킨슨병
파킨슨병은 신경퇴행성 질환으로, 주요 증상으로는 진전(떨림), 강직, 서행증(운동느림증), 자세 불안정 등이 나타난다. 뇌심부자극술(Deep Brain Stimulation, DBS)은 파킨슨병 자체를 치료하는 것은 아니지만, 이러한 증상들을 조절하여 환자의 삶의 질을 개선하는 데 중요한 역할을 한다. 특히 약물만으로는 증상 조절이 어렵거나 약물 부작용이 심각한 환자들에게 효과적인 치료 대안이 될 수 있다.[101][102]
뇌심부자극술이 뇌 세포에 정확히 어떤 영향을 미치는지에 대해서는 아직 연구가 진행 중이지만, 뇌의 특정 부위에 정밀하게 전기 자극을 가함으로써 비정상적인 신경 활동을 조절하여 증상을 완화하는 것으로 이해된다. 또한, 파킨슨병 치료 약물로 인해 발생하는 운동 이상증과 같은 부작용을 줄여 약물 용량을 조절하는 데 도움을 주기도 한다.[103] 뇌의 어느 부위를 자극하는지에 따라 기대할 수 있는 효과가 다르기 때문에, 환자 개개인의 주요 증상과 상태를 고려하여 신중하게 목표 부위를 결정해야 한다.
파킨슨병 치료를 위한 뇌심부자극술의 주요 목표 부위는 다음과 같다.
- 시상하핵(Subthalamic Nucleus, STN): 특히 진전(떨림) 증상 개선에 비교적 빠른 효과를 보이며, 도파민성 약물의 필요량을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 2007년의 한 연구는 시상하핵 자극이 떨림 억제에 효과적임을 시사했다.
- 내측 창백(Globus Pallidus interna, GPi): 레보도파 등 약물 복용으로 인해 발생할 수 있는 운동이상증(자신의 의지와 상관없이 몸이 움직이는 증상)을 줄이는 데 효과적이다. 이를 통해 환자는 필요한 약물을 더 안정적으로 복용하며 다른 파킨슨병 증상을 관리할 수 있다. 다만, 떨림에 대한 개선 효과는 STN 자극에 비해 다소 늦게 나타날 수 있다.
- 시상의 복측중간핵(Ventral Intermediate Nucleus of Thalamus, VIM): 주로 떨림이 가장 두드러진 증상인 파킨슨병 환자나 본태성 떨림 환자의 치료에 주로 사용된다.[13]
이 외에도 다리뇌다리핵(Pedunculopontine Nucleus, PPN) 등이 보행 동결과 같은 특정 증상을 개선하기 위한 목표 부위로 연구되었으나, 아직 그 효과에 대한 결과가 일관되지 않아 일반적으로 널리 사용되지는 않는다.
최적의 목표 부위를 선택하는 것은 매우 복잡한 과정이다. 환자가 겪는 가장 불편한 증상이 무엇인지, 현재 복용 중인 약물의 종류와 용량, 약물에 대한 반응 및 부작용, 동반된 다른 질환 등을 종합적으로 평가해야 한다. 따라서 신경과, 신경외과, 재활의학과 등 다양한 분야의 전문가들로 구성된 팀이 논의를 통해 신중하게 결정하는 것이 일반적이다.
뇌심부자극술은 외과적 수술이기 때문에 드물게 뇌출혈(1-2%)이나 감염(3-5%)과 같은 합병증의 위험이 존재한다. 그러나 성공적으로 시행될 경우, 파킨슨병의 운동 증상을 평균적으로 30~60% 정도 개선하는 효과가 입증되었다.[104]
미국 식품의약국(FDA)은 2002년 1월 14일, 약물 치료로 충분히 조절되지 않는 진행성 파킨슨병 환자의 증상 관리를 위해 시상하핵(STN) 또는 내측 창백(GPi)을 목표로 하는 뇌심부자극술을 공식적으로 승인했다.
중요한 점은 뇌심부자극술이 파킨슨병의 진행 자체를 멈추거나 뇌세포의 손상을 되돌리는 질병 완화 치료법은 아니라는 것이다. 이는 어디까지나 파킨슨병으로 인한 여러 증상을 효과적으로 관리하여 환자가 더 나은 일상생활을 영위할 수 있도록 돕는 증상 개선 치료법으로 간주된다.
4. 2. 본태성 떨림
본태성 진전(ET)은 무의식적이고 리듬감 있는 떨림을 특징으로 하는 신경 질환으로, 가장 흔한 운동 장애이다.[20] 본태성 진전은 파킨슨병 떨림과 함께 뇌심부자극술(DBS)이 승인된 첫 번째 적응증이었으며, DBS 도입 이전에도 파괴적인 뇌 병변 생성술로 치료되어 온 오랜 역사가 있다.[21]뇌심부자극술 전극은 일반적으로 시상의 복내측 중간 핵(VIM) 또는 무명대(zona incerta)의 일부, 혹은 후시상 영역으로 불리는 복측 인접 영역을 표적으로 한다.[13][23][24] 알림 루이 베나비드 팀의 초기 연구에서는 100Hz 이상의 고주파 자극이 떨림을 멈추는 데 가장 효과적이며, 낮은 주파수는 효과가 적다는 것을 보여주었다.[22] 현재 임상에서는 일반적으로 80~180Hz 사이의 주파수가 적용된다. 최근의 메타 분석 결과에 따르면, 소뇌-시상 경로(치아적핵-적색핵-시상 경로 또는 치아-시상 경로라고도 함)를 따라 위치한 여러 표적 부위들이 유사한 치료 효과를 나타내는 것으로 보인다. 이는 소뇌에서 시상으로 들어오는 신호를 조절하는 것이 치료 효과의 핵심일 수 있음을 시사한다.[23][24] 관련 연구 검토는 참고 문헌에서 확인할 수 있다.[25]
본태성 진전에 대한 DBS는 성공적인 치료법이지만, 언어 문제나 이상 감각과 같은 부작용이 발생할 수 있다. 역사적으로나 현재에도 수술적 병변 생성술이 본태성 진전 치료에 사용되어 왔으며, 이는 DBS와 유사하거나 동일한 뇌 부위를 표적으로 한다. 예를 들어 MR-유도 집중 초음파(MRgFUS/HIFU), 감마 나이프 방사선 수술, 또는 전통적인 고주파 병변술 등이 사용된다. 최근에는 MRgFUS를 이용한 시상 절개술 건수가 본태성 진전 치료를 위한 DBS 시술 건수를 넘어서기도 했다.[26]
미국 식품의약국(FDA)은 1997년 본태성 진전 치료를 위해 뇌심부자극술을 처음 승인했다.
'''FDA 승인 내역: 본태성 진전'''
| 적응증 | 승인 날짜 | 상세 정보 | DBS 타겟 | 근거 | 출처 |
|---|---|---|---|---|---|
| 본태성 진전 (또는 파킨슨성 진전) | 1997년 7월 31일 | FDA는 본태성 진전 환자의 상지 떨림을 억제하기 위해 DBS를 승인했다. | 시상 핵의 복측 중간 핵 (VIM) | 승인은 본태성 진전 환자에서 시상 DBS를 통해 떨림이 현저히 감소하고 장기적인 효능과 안전성이 입증된 임상 시험을 기반으로 했다. 주요 연구는 다음과 같다.[72] | FDA |
4. 3. 근긴장이상증
뇌심부자극술(DBS)은 지속적이거나 반복적인 근육 수축으로 인해 비정상적인 자세와 불수의 운동이 발생하는 근육긴장 이상증 환자에게 확립된 치료법이다.[76] 이는 운동 장애의 일종이다.뇌심부자극술은 특히 약물 치료에 잘 반응하지 않는 일차성 전신 근육긴장 이상증 치료에 효과적이며, 경부 근긴장이상증이나 서기 경련과 같은 국소성 근육긴장 이상증에도 사용된다. 주로 내부 담창구(GPi)를 고주파로 자극하는 방식이 사용되며, 대규모 무작위 임상 시험에서 치료 후 6개월 이내에 증상이 약 45% 개선되고 삶의 질 역시 유의미하게 향상되는 결과가 입증되었다.[76] 시상하핵(STN)을 표적으로 하는 방법도 연구되고 있으며, 공개 라벨 임상 시험에서 유사한 효과가 보고되었으나 아직은 연구 단계에 있다.[9]
파킨슨병이나 본태성 진전의 일부 증상과 달리, 근긴장이상증에 대한 DBS 효과는 종종 몇 주에서 몇 달에 걸쳐 점진적으로 나타나는 특징이 있다.[63] 이러한 지연 반응은 근긴장이상증과 관련된 운동 회로의 복잡성과 증상 완화에 필요한 뇌의 장기적인 기능적 재조직(가소성 변화)을 반영하는 것으로 여겨진다.[63] 시간이 걸리더라도 많은 환자들이 근긴장이상증으로 인한 장애가 지속적이고 의미 있게 감소하는 것을 경험한다.
근긴장이상증에 대한 뇌심부자극술은 일반적으로 안전한 시술로 간주되지만, 다른 신경 조절 치료법과 마찬가지로 감염, 기기(하드웨어) 관련 합병증, 또는 언어 장애와 같은 자극 관련 부작용의 잠재적 위험이 존재한다. 현재 진행 중인 연구들은 다양한 유형의 근긴장이상증 환자들의 치료 결과를 향상시키기 위해 뇌심부자극술의 표적 부위 설정과 자극 강도 등을 최적화하는 것을 목표로 한다. 최근의 대규모 연구들은 전신성 근긴장이상증과 경부 근긴장이상증,[27] 또는 사지형과 축성 근긴장이상증[28] 등 다양한 근긴장이상증 아형(subtype)에 따라 최적의 자극 부위가 약간 다를 수 있음을 시사한다. 이는 각 아형마다 운동 시스템의 관여 부위가 다를 수 있기 때문이다. 또한, 적응형 뇌심부자극술(adaptive DBS) 개발을 위해 생리적 표지자를 찾는 연구도 진행 중인데, 특정 뇌파 대역(세타파)의 동기화 증가가 증상 심각도와 관련 있으며, GPi 내 최적 자극 부위에서 가장 뚜렷하게 나타난다는 사실이 확인되었다.[29][30]
미국 식품의약국(FDA)은 2003년 4월 15일, 인도적 의료기기 면제(Humanitarian Device Exemption, HDE) 하에 7세 이상의 만성적이고 치료가 어려운(난치성) 원발성 근긴장이상증(전신성, 분절성, 반측, 경부 근긴장이상증 포함) 치료를 위해 GPi를 표적으로 하는 뇌심부자극술을 승인했다. 이 승인은 소규모 임상 시험들[75][76]에서 DBS가 원발성 근긴장이상증 환자의 운동 기능을 현저히 개선했다는 근거에 기반한다.
4. 4. 강박 장애 (OCD)
강박 장애(OCD)에 대한 뇌심부자극술(DBS) 치료는 1999년에 처음으로 시도되었다.[31][33]미국 식품의약국(FDA)은 2009년 2월 19일, 중증의 치료 저항성 강박 장애 환자를 위한 보조 치료법으로서 뇌심부자극술을 인도주의적 의료 기기 면제(HDE) 하에 승인하였다.[34][77] 이 치료법은 주로 측좌핵(NAc, Ventral Striatum/Ventral Capsule) 영역을 자극하는 방식으로 이루어진다.[77] FDA의 HDE 승인은 소규모 공개 시험 결과를 기반으로 하였으며, 해당 시험들에서 DBS가 중증 환자의 강박 증상을 유의미하게 감소시키는 효과가 확인되었다.[77]
유럽의 경우, 강박 장애 치료 목적의 뇌심부자극술에 대해 2009년부터 CE 마크 인증이 유효했으나, 2022년에 이르러 정부 보건 당국의 지원 부족 문제로 인해 인증이 갱신되지 못했다.[71][35]
4. 5. 간질
간질 환자 중 약 36.3%는 약물만으로는 발작이 충분히 조절되지 않는 약물 저항성을 보인다.[36] 이러한 환자들은 SUDEP을 포함한 심각한 합병증 및 사망 위험에 노출될 수 있다.[37] 발작이 시작되는 부위(발작 초점)를 MRI나 입체 뇌파 검사 등으로 정확히 찾아낼 수 있다면, 해당 뇌 조직을 제거하는 절제술적 뇌수술이 완치를 기대할 수 있어 우선 고려된다. 하지만 절제술이 불가능한 경우에는 반응성 신경 자극(RNS), 뇌심부자극술(DBS), 또는 미주 신경 자극술과 같은 신경 조절 치료법을 고려할 수 있다.[38]뇌심부자극술은 프로그래밍된 전기 자극을 통해 간질 발작을 줄이거나 억제하는 것을 목표로 한다.[64] 간질 치료에서 가장 흔하게 표적으로 삼는 부위는 시상 전핵(anterior nucleus of the thalamus, ANT)이며, 이는 FDA의 승인을 받은 유일한 표적 부위이다. 2018년 4월 27일, FDA는 약물로 조절되지 않는 성인 부분 발작 환자의 발작 빈도를 줄이기 위한 보조 치료법으로 ANT에 대한 양측 뇌심부자극술을 승인했다. 이 승인은 SANTE(간질에 대한 시상 전핵 자극) 임상 시험 결과를 근거로 이루어졌는데, 이 연구는 ANT-DBS가 약물 저항성 간질 환자의 발작 빈도를 유의미하게 감소시킨다는 것을 보여주었다.[78] 시간이 지남에 따라 환자들은 지속적인 발작 감소 효과를 경험했으며, 일부는 발작 횟수가 절반 이상 줄어들었다. ANT는 발작 활동이 뇌 전체로 퍼져나가는 신경 회로망에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
ANT 외에도 여러 다른 뇌 영역이 간질 치료를 위한 잠재적 DBS 표적으로 연구되고 있다.
- 중심 정중핵 (Centromedian nucleus, CM): 시상에 위치한 CM은 특히 레녹스-가스토 증후군과 같은 전신 발작 치료에 사용되어 왔다. 발작 전파에 관여하는 시상-피질 네트워크를 조절하여 발작의 심각성과 빈도를 줄이는 데 효과가 보고되었다.[39]
- 해마: 특히 측두엽 간질 환자에서 발작 발생 및 기억 기능과 관련하여 해마 DBS가 연구되고 있다. 초기 연구 결과는 긍정적이며, 특히 측두엽 발작 조절에 유망한 가능성을 보였다.[39]
- 시상하핵 (Subthalamic nucleus, STN): 주로 파킨슨병 치료에 사용되는 STN은 운동 조절뿐 아니라 발작 조절에도 관여하는 것으로 밝혀져 간질 치료의 표적으로 연구되고 있다. 초기 연구에서 초점 간질 환자의 발작 감소 효과가 나타났다.[40]
- 소뇌: 소뇌 DBS는 간질과 관련된 신경 회로를 조절하는 방법으로 연구되고 있으나, 아직 실험적인 단계에 머물러 있다.
4. 6. 뚜렛 증후군
뚜렛 증후군에 대한 첫 뇌심부자극술(DBS)은 1999년 Veerle Visser-Vandewalle 연구팀에 의해 시도되었다.[32] 이들은 Rolf Hassler 등이 이전에 수행했던 절제 수술 사례를 바탕으로[41] 시상핵의 중심선, 속섬유판(lamina medullaris interna), 내복측구강 내핵(nucleus ventrooralis internus) 사이의 교차점을 DBS 표적으로 삼았다. 당시 연구팀은 수술 후 환자의 틱 증상이 사라졌으며, 성격도 더 친절하게 변했다고 보고했다.현재 DBS는 기존 치료법에 반응하지 않는 심각한 뚜렛 증후군 성인 환자에게 실험적으로 사용되고 있다. 초기의 성공 사례에도 불구하고, 뚜렛 증후군 치료에서 DBS는 여전히 매우 실험적인 단계에 머물러 있으며, 장기적인 효과가 위험성보다 크다고 단정하기 위해서는 더 많은 연구가 필요한 상황이다.[42][43][44][45] 이 시술은 비교적 잘 견디는 편이지만, 합병증으로는 "짧은 배터리 수명, 자극 중단 시 증상 급격 악화, 경조증 또는 조증 전환, 그리고 자극 매개변수 최적화에 필요한 상당한 시간과 노력" 등이 보고되었다.[46]
DBS는 뇌에 직접 전극을 삽입하는 침습적인 시술이며, 비용이 많이 들고 장기간에 걸친 전문적인 관리가 필요하다. 또한, 네덜란드에서 관찰된 사례처럼 시술 효과가 기대만큼 크지 않을 수 있어, 뚜렛 증후군의 심각성을 고려했을 때 그 이점이 항상 명확한 것은 아니다. 뚜렛 증후군은 주로 소아기에 발병하여 성인이 되면서 증상이 완화되는 경향이 있기 때문에, 일반적으로 어린이에게 DBS를 시행하는 것은 권장되지 않는다. 뚜렛 증후군 진단 자체가 신경 활동 검사보다는 증상 기록에 의존하므로, 특정 환자에게 DBS가 얼마나 효과적일지 예측하기 어려운 측면도 있다. 이러한 우려 때문에 미국 뚜렛 협회는 전문가 그룹을 소집하여 뚜렛 증후군에 대한 DBS 사용 및 잠재적 임상 시험을 위한 권고안을 마련하기도 했다.[47]
Robertson은 2011년까지 55명의 성인에게 DBS가 사용되었으며, 당시 실험적 치료법으로 남아 있었으며, 이 절차는 "전담 뚜렛 증후군 클리닉을 갖춘 센터에서 경험이 풍부한 기능적 신경외과 의사에 의해서만 수행되어야 한다"고 권고했다.[43] Malone 등(2006)에 따르면, "심각하고 쇠약하며 치료에 반응하지 않는 환자만 고려해야 하며, 심각한 인격 장애 및 약물 남용 문제가 있는 환자는 제외해야 한다."[46] Du 등(2010)은 "침습적 치료법으로서 DBS는 현재 심각하게 영향을 받고 치료에 반응하지 않는 뚜렛 증후군 성인에게만 권장된다"고 말한다.[44] Singer(2011)는 "환자 선택 기준 결정 및 신중하게 통제된 임상 시험 결과를 기다리는 동안, 신중한 접근 방식이 권장된다"고 말한다.[42] Viswanathan 등(2012)은 DBS는 "의학적으로 관리할 수 없는 심각한 기능 장애"가 있는 사람들에게 사용해야 한다고 말한다.[48]
4. 7. 주요 우울 장애
뇌심부자극술(DBS)은 심각한 치료 저항성 우울증(TRD)을 겪는 환자들을 위한 치료법으로 임상 시험이 이루어져 왔다. 신경해부학적으로는 뇌들보하 대상회 영역(Subcallosal Cingulate Cortex, SCC), 대뇌 측좌핵, 배쪽중격/배쪽선조, 시상각과 측수강의 앞쪽 부분 등이 목표 지점으로 고려된다. DBS가 우울증을 치료한다는 근거는 아직 부족하지만, 효과적인 치료 가능성을 보여주고 있다.여러 연구에서 DBS의 효능을 뒷받침하고 있다. 에모리 대학교 의과대학 연구에서는 DBS를 통해 환자들의 우울 증상이 유의미하게 감소하고 기능적 개선이 나타났다고 보고했다. 연구 결과에 따르면, 치료 시작 24주 후에는 환자의 18%~41%, 1년 후에는 36%, 2년 후에는 58%~92%가 증상 호전을 보였다. 호전된 환자에게서는 우울증 재발이 발생하지 않았다. 이러한 효과는 주요 우울 장애 환자와 양극성 장애 환자에게서 유사하게 나타났으며, 환자들은 조증이나 경조증 삽화를 경험하지 않았다. 관련 문헌 검토에서도 치료 저항성 우울증(7건) 및 강박 장애(9건) 등 총 23건의 사례 분석 결과, 절반 이상의 환자에서 개선 효과가 확인되었다. 부작용은 심리적 어려움을 겪는 젊은 환자에게서 행동 장애 환자보다 더 경미하게 나타나는 경향이 있었다. DBS는 치료 저항성 우울증 치료에서 기존 항우울제와 유사한 역할을 할 수 있을 것으로 기대되지만, 부작용과 안전성에 대한 평가는 여전히 필요하다. 일반적인 부작용으로는 수술 부위 감염, 두통, 감정 변화 등이 있으며, 드물게 자살 시도도 보고되었다.
주요 표적 부위 연구는 다음과 같다:
- 뇌들보하 대상회 영역 (Subcallosal Cingulate Cortex, SCC): 브로드만 영역 25에 해당하는 부위로, 1950년대부터 우울증 치료를 위한 연구가 시도되었다.[49] 최근에는 확산 텐서 영상(DTI) 기반의 섬유 추적법을 통해 소위 '우울증 스위치'[51]라고 불리는, 4개의 신경 다발이 교차하는 지점이 발견되었다. 이를 통해 SCC 영역에 대한 DBS 표적 지정을 더욱 정밀하게 할 수 있게 되었고, 추가적인 공개 라벨 연구에서 개선된 결과를 보였다.[52]
- 복측 캡슐/복측 선조체 (Ventral Capsule/Ventral Striatum, VC/VS): 이 영역을 표적으로 한 연구에서는 혼합된 결과가 나타났다.[50]
- 내전뇌 다발 (Medial Forebrain Bundle, MFB)의 상외측 분지: SCC와 VC/VS 외에 세 번째 표적으로 연구되고 있다.[53] 이 부위는 파킨슨병 환자가 시상하핵(STN) DBS 치료 중 조증을 보이는 사례에서 우연히 발견되었다.[55] 이는 STN-DBS의 드문 부작용은 아니며, 대안적인 질병 발생 기전이 제안되기도 했지만,[56][57] 원래 연구자들은 조증 발생을 MFB의 '상외측' 분지(인간에게만 존재한다고 추정됨) 자극으로 돌렸다.[54] 이 표적 부위에 대한 해부학적 설명과 추정된 기전은 논쟁의 대상이 되었지만,[58][57] TRD 환자에서 이 DBS 표적의 임상적 효과는 매우 유망하며, 때로는 공개 라벨 연구에서 증상 개선이 갑자기 나타나기도 한다.[59]
미국에서는 중증 우울증 환자를 대상으로 BROADEN 연구라는 임상 시험이 진행되었으나, 효과 부족으로 중단되었다.[91] DBS는 현재로서는 우울증의 근본 원인을 해결하는 질병 완화 치료법이라기보다는 증상을 개선하는 치료법으로 간주된다.
4. 8. 만성 통증
통증의 종류에 따라 특정 뇌 부위를 자극하여 완화를 시도한다. 침해성 통증의 경우 중뇌수도관주위 회색질(PAG)과 뇌실주위 회색질(PVG)을 자극하고, 신경병증 통증의 경우 내포, 복측외측핵(VPL), 복측내측핵(VPM)을 자극하는 방법이 사용된다. 이러한 뇌심부자극술은 일부 환자에게 효과적인 결과를 가져올 수 있지만, 그 결과는 환자마다 다양하게 나타나므로 시술 대상 환자를 신중하게 선택하는 것이 중요하다.한 연구에서는 다른 치료에 반응하지 않는 암성 통증 환자 17명을 대상으로 뇌심부자극술을 시행했다. 그 결과, 시술 후 13명의 환자는 통증이 거의 해소되었으며, 퇴원 시점에 아편유사제 계열의 진통제를 필요로 한 환자는 4명에 불과했다.[60] 그러나 시간이 지나면서 대부분의 환자들은 결국 아편유사제를 다시 사용하게 되었으며, 특히 생의 마지막 몇 주 동안 사용하는 경향을 보였다.[61] 뇌심부자극술은 환상지 통증 치료에도 적용된 사례가 있다.[62]
5. 합병증 및 부작용
뇌심부자극술은 주요 수술과 같은 위험성을 내포하며, 합병증 발생률은 수술팀의 경험과 관련이 있다. 주요 합병증으로는 뇌출혈(1~2%)과 감염(3~5%)이 있다.[79] 드물게 두개내 출혈이나 폐쇄성 수두증이 동반될 수 있으며, 이 경우 전극 위치 변경이나 신경 중환자실 입원이 필요할 수 있다.
수술 중 뇌가 약간 움직일 수 있어 전극이 의도한 위치에서 벗어나거나 이탈될 가능성이 있다. 이는 성격 변화와 같은 심각한 부작용을 유발할 수 있지만, 전극의 위치 오류는 CT 스캔을 사용하여 비교적 쉽게 식별할 수 있다.
뇌심부자극술 후 신경정신과적 부작용이 나타날 수 있다. 연구 문헌에서는 무관심증, 환각, 인지 기능 장애, 강박적 도박, 성욕 과다증, 우울증, 행복감 등이 보고되었다. 일부 환자(약 9%)에서는 관음증이나 자살 시도 재발과 같은 심각한 정신과적 문제가 발생하기도 한다. 그러나 이러한 영향 중 상당수는 (1) 전극의 부정확한 위치, (2) 지속적인 자극 방식(개방 루프) 또는 (3) 자극기 설정 등과 관련될 수 있으며, 전극 위치 조정이나 자극기 보정 등을 통해 증상이 개선될 수 있는 일시적인 경우도 있다.[81]
장기적인 영향으로는 신경퇴행성 질환에서 일반적으로 나타나는 인지 기능 저하 외에 추가적인 정신 기능 감소나 치매 위험 증가 가능성이 제기되기도 한다.
예상치 못한 부작용으로 수영 능력 저하가 보고된 바 있다. 뇌심부자극술을 받은 일부 파킨슨병 환자들이 수영 능력을 상실했다는 사례가 있다.[82][83]
수술 직후에는 뇌 조직의 부종, 가벼운 방향 감각 상실, 졸음 등의 증상이 나타날 수 있으며, 이는 일반적으로 정상적인 회복 과정의 일부로 간주된다.
6. 적응형 뇌 심부 자극술 (Adaptive DBS)
적응형 뇌심부 자극술(Adaptive Deep Brain Stimulation영어, aDBS) 또는 폐쇄 루프 뇌심부 자극술은 조향 신호를 이용해 뇌심부자극술(DBS) 시스템이 작동하는 시점, 강도(진폭), 또는 자극할 전극 접점을 조절하는 기술이다. 이 조향 신호는 주로 이식된 전극이나 뇌피질전기자극술(ECoG) 스트립/그리드에서 직접 기록되는 생리적 감지 신호일 수 있다. 또는 웨어러블 기기에서 얻은 신호(예: 진전과 같은 증상 감지)를 사용하여 시간에 따라 자극을 조절할 수도 있다.
적응형 뇌심부 자극술의 개념은 뇌 전기 자극이라는 개념 자체만큼이나 오래되었다. 1950년대와 1960년대에 칼-빌헬름 셈-야콥센(Carl-Wilhelm Sem-Jacobsen영어), 나탈리아 베흐테레바, 호세 마누엘 로드리게스 델가도, 로버트 갤브레이스 히스와 같은 초기 연구자들이 이 개념을 실제로 구현했다. 이들이 초기에 이 개념을 고안한 이유는 당시의 기술적 한계 때문이었다. 기존의 개방 루프 방식처럼 지속적인 자극을 주는 것은 당시 배터리 기술로는 완전히 이식 가능한 장치로 구현하기 어려웠다.
이후 알림 루이 베나비드 팀이 구현한 '현대적인' DBS가 등장하면서, 수십 년 동안은 뇌 신호나 다른 조향 신호를 감지하지 않고 고정된 주파수(주로 130 Hz)로 뇌 조직에 계속 펄스를 보내는 만성 개방 루프 DBS가 주된 방식으로 사용되었다.
그러나 2011년 하가이 베르그만 팀이 원숭이를 대상으로 aDBS의 효과를 성공적으로 보여준 이후, 적응형 방식이 다시 주목받기 시작했다. 2013년에는 피터 브라운(Peter Brown영어) 팀이 인간에게 처음으로 aDBS를 적용했으며, 같은 해 알베르토 프리오리 팀도 뒤를 이었다. 그 후 메드트로닉이나 뉴로니카(Neuronica영어) 등 여러 회사에서 폐쇄 루프 DBS의 상업적 응용을 위한 개발을 시작했다. 이러한 적응형 방식은 환자의 상태 변화에 맞춰 자극을 실시간으로 조절함으로써, 기존의 지속적인 자극 방식보다 더 효과적이면서 부작용을 줄일 수 있는 가능성을 제시한다.
7. 제조사
현재 자극기 시장에는 보스턴 사이언티픽, 메드트로닉, 애보트 세 곳의 주요 경쟁업체가 있다. 메드트로닉은 자동 피드백을 기반으로 하는 폐쇄 루프 시스템을 개발 중이며, 애보트는 원격 프로그래밍을 지원한다.
8. 주의점
뇌심부자극술 기기는 체내에 삽입하는 전자 기기이므로, 강력한 전자기파 등에 의해 오작동할 가능성이 있다. 따라서 이 치료를 받는 사람은 심장 박동기 사용자처럼 필요 이상으로 전파 발신원에 접근하지 않도록 주의해야 한다.
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