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뇌피질전도

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목차

1. 개요

뇌피질전도(ECoG)는 뇌 표면에 전극을 직접 부착하여 뇌의 전기적 활동을 기록하는 기술이다. 1950년대 와일더 펜필드와 허버트 재스퍼에 의해 개발되었으며, 간질 환자의 발작 부위를 파악하고 뇌 기능을 연구하는 데 사용된다. ECoG는 두피 뇌파(EEG)보다 높은 공간 해상도를 제공하여 뇌전증 수술 전 계획, 기능적 피질 매핑, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 개발 등에 활용된다. 최근에는 ECoG의 침습적인 단점을 보완하기 위해 비침습적인 뇌 영상 기술을 연구하는 시도가 이루어지고 있다.

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뇌피질전도
개요
명칭뇌피질전도
다른 명칭두개내 뇌파
영어 명칭Electrocorticography
목적
주요 목적대뇌 피질의 전기적 활동 측정 (침습적)
관련 정보
관련 질병해당 사항 없음
관련 검사해당 사항 없음
MeSH ID해당 사항 없음

2. 역사

ECoG는 1950년대 초 몬트리올 신경학 연구소의 신경외과 의사인 와일더 펜필드와 허버트 재스퍼에 의해 개발되었다.[1] 이들은 간질 환자를 치료하기 위한 획기적인 수술 프로토콜인 [https://www.vox.com/science-and-health/2018/1/26/16932476/wilder-penfield-brain-surgery-epilepsy-google-doodle 몬트리올 절차]의 일환으로 ECoG를 개발했다. ECoG는 간질성 발작을 일으키는 피질 영역을 식별하는데 사용되었으며, 이 영역은 절제술을 통해 제거되어 간질 발작의 시작을 막았다.

2. 1. 몬트리올 시술법

와일더 펜필드와 허버트 재스퍼는 1950년대 몬트리올 신경학 연구소에서 뇌전증 치료를 위한 새로운 수술법인 '몬트리올 시술법'을 개발하면서 뇌피질전도(ECoG)를 처음 제안했다.[29] 몬트리올 시술법은 뇌전증 발작을 일으키는 뇌 영역을 제거하는 수술법으로, ECoG는 뇌전증 발작을 일으키는 뇌 영역을 정확하게 식별하는 데 사용되었다.[1] 펜필드와 재스퍼는 국소마취 하에 뇌전증 수술을 받는 환자의 뇌에 전기 자극을 가하는 실험도 수행하여 뇌의 기능적 해부학을 탐구하고 언어 영역을 매핑했으며, 수술적 제거에서 제외해야 할 체감각 및 체운동 피질 영역을 식별했다.[2] ECoG는 현재까지도 뇌전증 치료뿐만 아니라 뇌 기능 탐구에도 이용되어 신경과학계에 기여하고 있다.

2. 2. 초기 연구자

로버트 갤브레이스 히스는 툴레인 의과대학에서 뇌 연구를 수행한 초기 연구자 중 한 명이었다.[3][4]

3. 전기생리학적 기반

ECoG 신호는 뇌 피질 표면에서 기록되는 뉴런들의 동기화된 시냅스 후 전위(국소장전위)로 구성된다. 전위는 주로 피질 피라미드 세포에서 발생하며, 경막 바로 아래에 위치한 경막하 기록 전극에 도달하기 전에 여러 층의 대뇌 피질, 뇌척수액(CSF), 연질막, 거미막을 통과해야 한다. 그러나 일반적인 뇌파도(EEG)의 두피 전극에 도달하려면 전기 신호가 두개골을 통과해야 하며, 여기서 전위는 뼈의 낮은 전도성으로 인해 빠르게 감쇠된다.[5]

3. 1. 공간 해상도 및 시간 해상도

ECoG 신호는 노출된 피질 표면에서 직접 기록된 동기화된 시냅스 후 전위(국소장전위)로 구성된다. 전위는 주로 피질 피라미드 세포에서 발생한다.[5] 일반적인 뇌파도(EEG)의 두피 전극에 도달하려면 전기 신호가 두개골을 통과해야 하며, 여기서 전위는 뼈의 낮은 전도성으로 인해 빠르게 감쇠된다. 이러한 이유로 ECoG의 공간 해상도는 EEG보다 훨씬 높다.[5] ECoG는 약 5ms의 시간 해상도와 1μm~100μm의 공간 해상도를 제공한다.[6]

깊이 전극을 사용하면 국소장전위는 전극 팁 주변 0.5mm~3mm 반경의 구 내 신경 집단의 측정을 제공한다.[7] 충분히 높은 샘플링 속도(약 10 kHz 이상)로 깊이 전극은 활동 전위도 측정할 수 있다.[8] 이 경우 공간 해상도는 개별 뉴런까지 내려가며 개별 전극의 시야는 약 0.05mm~0.35mm이다.[7]

4. 시술 절차

뇌피질전도(ECoG) 기록은 노출된 뇌 피질에 배치된 전극에서 수행된다. 뇌 피질에 접근하기 위해 외과 의사는 먼저 두개골 절제술을 수행하여 뇌 표면을 노출시킨다. 이 절차는 전신 마취 또는 국소 마취 하에 수행될 수 있다. 그런 다음 전극은 수술적으로 피질 표면에 이식되며, 이식 위치는 수술 전 뇌파검사(EEG)와 자기 공명 영상(MRI)의 결과에 따라 결정된다. 전극은 피질 표면에 가볍게 놓이며, 뇌의 정상적인 움직임이 부상을 일으키지 않도록 충분한 유연성을 갖도록 설계되었다.[9] 스트립 전극과 크라운 어레이는 원하는 조합으로 사용할 수 있으며, 해마와 같은 더 깊은 구조의 활동을 기록하기 위해 깊이 전극을 사용할 수도 있다.

4. 1. 두개골 절제술

뇌 피질에 접근하기 위해 외과 의사는 두개골 절제술을 수행하여 뇌 표면을 노출시킨다.[9] 이 절차는 전신 마취 또는 국소 마취 하에 수행될 수 있다. 전극은 수술적으로 피질 표면에 이식되며, 이식 위치는 수술 전 뇌파검사(EEG)와 자기 공명 영상(MRI)의 결과에 따라 결정된다.[9] 전극은 경막 외(epidural) 또는 경막 하(subdural)에 배치될 수 있다.[9] 경막 하 스트립 및 그리드 전극은 다양한 크기로 널리 사용되며, 4개에서 256개[10]의 전극 접점을 가지고 있다. 그리드는 투명하고 유연하며 각 전극 접점에 번호가 매겨져 있다.[9] 그리드 전극 사이의 표준 간격은 1cm이며, 개별 전극의 직경은 일반적으로 5mm이다.[9]

4. 2. 전극 배치

전극은 경막 외 또는 경막 하에 배치될 수 있다. 뇌피질전도(ECoG) 전극 어레이는 일반적으로 16개의 멸균 처리된 일회용 스테인리스 스틸, 탄소 팁, 백금, 백금-이리듐 합금 또는 금 볼 전극으로 구성되며, 각 전극은 위치 지정을 용이하게 하기 위해 볼 및 소켓 관절에 장착된다.[9] 이러한 전극은 "크라운" 또는 "후광" 구성으로 위에 있는 프레임에 부착된다.

경막 하 스트립 및 그리드 전극도 다양한 크기로 널리 사용되며, 4개에서 256개[10]의 전극 접점을 가지고 있다. 그리드는 투명하고 유연하며 각 전극 접점에 번호가 매겨져 있다. 그리드 전극 사이의 표준 간격은 1cm이며, 개별 전극의 직경은 일반적으로 5mm이다. 전극은 피질 표면에 가볍게 놓여 있으며, 뇌의 정상적인 움직임이 부상을 일으키지 않도록 충분한 유연성을 갖도록 설계되었다.

스트립 및 그리드 전극 어레이의 주요 장점은 두개골 절제술로 노출되지 않은 피질 영역으로 경막 아래로 밀어 넣을 수 있다는 것이다. 스트립 전극과 크라운 어레이는 원하는 조합으로 사용할 수 있다. 해마와 같은 더 깊은 구조의 활동을 기록하기 위해 깊이 전극을 사용할 수도 있다.

5. 직접 피질 전기 자극술 (DCES)

직접 피질 전기 자극술(DCES)은 뇌피질전도(ECoG) 기록과 함께 뇌 기능을 매핑하고 중요한 피질 구조를 식별하기 위해 수행된다.[9] 사용되는 전기 자극 전류는 상대적으로 낮으며, 체감각 자극의 경우 2~4mA, 인지 자극의 경우 약 15mA이다.[9] 자극 주파수는 북미에서는 60Hz, 유럽에서는 50Hz이며, 150μC/cm2 이상의 전하 밀도는 조직 손상을 유발할 수 있다.[11][12]

5. 1. 기능 매핑

피질 자극 매핑이라고도 하는 직접 피질 전기 자극술(DCES)은 피질의 기능 매핑 및 중요한 피질 구조 식별을 위해 ECoG 기록과 함께 자주 수행된다.[9] 크라운 구성을 사용하는 경우, 휴대용 쌍극자 자극기를 전극 배열을 따라 어떤 위치에서든 사용할 수 있다. 그러나 경막하 스트립을 사용하는 경우에는 그리드 상의 전극을 연결하는 비전도성 물질로 인해 인접한 전극 쌍 사이에서 자극을 가해야 한다. 피질에 가해지는 전기 자극 전류는 상대적으로 낮으며, 체감각 자극의 경우 2mA~4mA, 인지 자극의 경우 약 15mA이다.[9] 자극 주파수는 일반적으로 북미에서는 60Hz, 유럽에서는 50Hz이며, 150μC/cm2 이상의 전하 밀도는 조직 손상을 유발한다.[11][12]

DCES를 통해 가장 일반적으로 매핑되는 기능은 일차 운동, 일차 감각 및 언어이다. 환자는 매핑 절차 동안 깨어 있고 상호 작용해야 하지만, 환자 참여는 각 매핑 절차마다 다르다. 언어 매핑에는 명명, 소리 내어 읽기, 반복 및 구두 이해가 포함될 수 있다. 체감각 매핑은 외과의가 서로 다른 피질 부위를 자극할 때 환자가 얼굴과 사지에서 경험하는 감각을 설명해야 한다.[9]

6. 임상적 응용

뇌피질전도(ECoG)는 뇌전증 유발 영역을 국소화하고 피질 기능을 매핑하며, 뇌전증 수술 성공을 예측하는 데 사용된다.[29] 1950년대 와일더 펜필드와 허버트 야스퍼가 몬트리올 시술법을 통해 처음 제안한 이후,[29] 뇌전증 치료뿐만 아니라 뇌 기능 연구에도 활용되며 신경과학 발전에 기여하고 있다.

ECoG는 다른 진단 방법에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.


  • 전극 배치 유연성[2]
  • 수술 전, 중, 후 모든 단계에서 수행 가능
  • 뇌에 직접 전기 자극을 가하여 수술 시 피해야 할 피질 영역 식별 가능
  • 두피 뇌파(EEG)보다 높은 정밀도와 민감도[2]


ECoG의 제한 사항은 다음과 같다.

  • 제한된 샘플링 시간[2]
  • 제한된 시야[2]
  • 마취제, 진통제 및 수술 자체의 영향[2]

6. 1. 뇌전증

1950년대에 와일더 펜필드와 허버트 야스퍼가 개발한 뇌피질전도(ECoG)는 난치성 뇌전증 환자의 치료에 중요한 역할을 한다.[29] 뇌전증은 미국에서만 약 250만 명에게 영향을 미치는 흔한 신경 질환으로,[13] 뇌 내 기원 부위, 임상 증상, 병인에 따라 다양하게 나타날 수 있다. 특히 항경련제에 반응하지 않는 난치성 뇌전증의 경우, 수술적 치료가 고려될 수 있다.[14]

ECoG는 뇌전증 발작을 일으키는 뇌 영역을 정확하게 찾아내어 수술적 제거를 가능하게 한다. 뇌에 직접 전극을 삽입하여 뇌파를 기록하는 ECoG는 두피 뇌파(EEG)보다 정밀도와 민감도가 높아 발작 병소를 정확하게 국소화하는 데 유용하다.[2] 하지만 ECoG는 제한된 시간 동안만 기록이 가능하고, 전극 배치 위치에 따라 시야가 제한될 수 있다는 단점도 있다.[2]

ECoG는 수술 전, 중, 후 모든 단계에서 활용될 수 있다.

6. 1. 1. 수술 전 ECoG

ECoG는 뇌전증 발작을 일으키는 병소의 위치와 범위를 정확하게 파악하는 데 사용된다.[15][16] 두피 EEG는 발작 영역을 국소화하는 데 필요한 정밀도가 부족하지만, ECoG는 신경 활동에 더 가까이 위치하여 공간 해상도가 높고 신호 대 잡음비가 우수하여 더 정확한 정보를 제공한다.[2] ECoG 데이터는 발작 중에 기록된 "확산성 고속 파 활동"과 발작 사이에 기록된 신경 활동의 짧은 폭발인 간발작성 간질파 활동(IEA)을 분석하여 평가한다.

또한, ECoG는 뇌 기능을 보존하기 위해 수술 중 보존해야 할 중요한 영역, 즉 "유창한 피질"을 식별하는 데 사용된다.[17] 수술 전 ECoG를 통해 운동, 감각, 인지 작업과 관련된 뇌 영역을 파악하여, 해당 영역을 보존하면서 발작을 일으키는 조직만 선택적으로 제거할 수 있도록 돕는다.[17][18][19]

6. 1. 2. 수술 중 ECoG

와일더 펜필드와 허버트 야스퍼가 1950년대에 개발한 뇌피질전도(ECoG)는 뇌전증 수술 중 뇌전증 발작 병소가 완전히 제거되었는지 확인하는 데 사용된다.[2] ECoG는 수술 후 남아있는 뇌전증 활동을 감지하여 추가 수술의 필요성을 판단하는 데 도움을 준다. 절제 수술의 목표는 신경학적 손상 없이 발작을 유발하는 조직을 제거하는 것이다. ECoG는 발작성 영역을 식별하고, DCES와 함께 기능적 피질 매핑을 수행하여 중요한 뇌 구조를 정확하게 국소화하는 데 사용된다. 기능적 매핑은 환자가 외과 의사와 상호 작용할 수 있도록 국소 마취 하에 수행되며, 피질 및 심부 전극을 사용한 전기 자극을 통해 언어, 체감각 통합, 운동 처리 중추를 식별한다.[20]

절제 수술 중 뇌피질전도를 통해 조직의 간질 활동을 모니터링하고 전체 발작성 영역이 절제되었는지 확인한다. 최근 연구에 따르면 뇌피질전도의 유용성은 환자의 간질 유형에 따라 다를 수 있다. 맞춤형 측두엽 절제술, 다중 피하 절단술(MST), 피질 발달 기형(MCD) 제거에는 중요하지만, MRI에서 내측 측두 경화증(MTS) 증거가 있는 내측 측두엽 간질(TLE)의 표준 절제술에서는 실용적이지 않다.[2]

7. 연구 응용

ECoG는 1950년대 와일더 펜필드와 허버트 야스퍼가 몬트리올에서 몬트리올 시술법을 개발하면서 처음 제안되었으며,[29] 뇌전증 치료뿐만 아니라 뇌 기능 연구에도 활용되어 신경과학 발전에 기여하고 있다.

7. 1. 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI)

ECoG는 최근 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)에서 사용하기 위한 유망한 기록 기술로 부상하고 있다.[21] BCI는 개인의 뇌 신호를 직접 사용하여 보철, 전자 또는 통신 장치를 제어하는 직접적인 신경 인터페이스이다. 뇌 신호는 피질에 직접 이식된 기록 장치를 사용하여 침습적으로 기록하거나, 뇌파(EEG) 두피 전극을 사용하여 비침습적으로 기록할 수 있다. ECoG는 두 가지 방식 사이의 부분적인 침습적 타협점을 제공한다. ECoG는 침습적 기록 장치와 같이 혈액-뇌 장벽을 관통하지 않지만, 뇌파보다 더 높은 공간 해상도와 신호 대 잡음비를 특징으로 한다.[21] ECoG는 상상된 말이나 음악을 해독하는 데 최근 주목을 받아 사용자가 BCI가 직접 해석할 수 있는 단어, 문장 또는 음악을 상상하기만 하는 "문자 그대로의" BCI로 이어질 수 있다.[22][23][24]

7. 2. 실시간 기능적 뇌 매핑

ECoG를 이용한 실시간 기능적 뇌 매핑은 신경과학의 근본적인 질문에 대한 연구를 지원하기 위해 주목받고 있다. 예를 들어, 2017년 연구에서는 얼굴 및 색상 처리 영역 내의 영역을 탐구하여 이러한 하위 영역이 시각의 다른 측면에 매우 구체적인 기여를 한다는 것을 발견했다.[25] 또 다른 연구에서는 70~200Hz의 고주파 활동이 일시적 및 지속적인 의사 결정과 관련된 프로세스를 반영한다는 것을 발견했다.[26] ECoG를 기반으로 한 또 다른 연구에서는 뇌 활동을 해석하는 새로운 접근 방식을 제시하여, 전력과 위상이 모두 순간 전압 전위에 공동으로 영향을 미치며, 이는 피질 흥분성을 직접적으로 조절한다고 제안했다.[27] 상상된 말과 음악을 해독하려는 노력과 마찬가지로, 실시간 기능적 뇌 매핑과 관련된 이러한 연구 방향은 신경외과 및 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 시스템을 포함한 임상 진료에도 영향을 미친다.

8. 최근 발전

ECoG는 여전히 간질 발생 구역을 정의하는 "표준"으로 여겨지지만, 이 절차는 위험하고 침습적이다. 최근 연구에서는 침습적 ECoG와 유사한 정보와 해상도를 제공할 수 있는 수술 전 계획을 위한 비침습적 피질 영상 기술 개발을 탐구하고 있다.

8. 1. 비침습적 ECoG 대안 연구

최근 구조적 MRI와 두피 EEG 정보를 통합하여 ECoG의 비침습적 대안을 제공하기 위한 연구가 진행되고 있다.[28] Lei Ding 외 연구진은 고해상도 부분 공간 소스 국소화 접근 방식인 FINE(first principle vectors)을 활용하여 두피 EEG에서 전류원의 위치와 범위를 영상화하는 방법을 연구했다. 이들은 난치성 간질 환자 3명을 대상으로 연구를 진행했으며, 환자들은 구조적 MRI, 두피 전극을 이용한 장기 비디오 EEG 모니터링, 경막하 전극 평가를 받았다. ECoG 데이터는 피질 표면에 직접 배치된 이식된 경막하 전극 그리드에서 기록되었고, MRI와 컴퓨터 단층 촬영 영상도 함께 획득되었다.

수술 전 EEG 데이터에서 식별된 간질 발생 구역은 3명의 환자 모두에서 수술 후 ECoG 데이터 관찰을 통해 검증되었다. 이러한 예비 결과는 영상 및 통합 방법을 사용하여 비침습적으로 수술 계획을 세우고 간질 발생 구역을 찾을 수 있음을 보여준다. EEG 소견은 모든 환자의 수술 결과로 검증되었는데, 수술적 절제 후 2명은 발작이 사라졌고, 1명은 발작이 현저히 감소했다. FINE은 임상적 성공을 통해 수술 전 ECoG의 유망한 대안을 제공하며, 비침습적 영상 절차를 통해 간질 발생 소스의 위치와 범위를 모두 제공한다.

참조

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[2] 학술지 Intraoperative electrocorticography in epilepsy surgery: Useful or not? http://www.seizure-j[...]
[3] 학술지 The Tulane Electrical Brain Stimulation Program a historical case study in medical ethics
[4] 학술지 Deep Brain Stimulation between 1947 and 1987: The Untold Story http://www.medscape.[...] 2016
[5] 학술지 Correlation between scalp-recorded electroencephalographic and electrocorticographic activities during ictal period http://www.seizure-j[...]
[6] 학술지 MRI-Compatible and Conformal Electrocorticography Grids for Translational Research 2021-03
[7] 학술지 The underpinning of the BOLD functional magnetic resonance imaging signal
[8] 학술지 Multiple microelectrode-recording system for human intracortical applications
[9] 학술지 Intraoperative electrocorticography and direct cortical electrical stimulation
[10] 학술지 Selective cortical representation of attended speaker in multi-talker speech perception
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[12] 학술지 Electrical Stimulation Mapping of the Brain: Basic Principles and Emerging Alternatives http://journals.lww.[...] 2018-03
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[14] 학술지 Intracranial electroencephalography seizure onset patterns and surgical outcomes in nonlesional extratemporal epilepsy: Clinical article https://thejns.org/v[...] 2009-06
[15] 학술지 Efficacy of intraoperative electrocorticography for assessing seizure outcomes in intractable epilepsy patients with temporal-lobe-mass lesions
[16] 학술지 Real-time functional brain mapping using electrocorticography
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[18] 학술지 Three- and four-dimensional mapping of speech and language in patients with epilepsy
[19] 학술지 Four-dimensional map of the human early visual system
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[21] 학술지 Generalized features for electrocorticographic BCIs http://homes.cs.wash[...]
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[26] 학술지 Encoding of Multiple Reward-Related Computations in Transient and Sustained High-Frequency Activity in Human OFC. 2018
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[30] 학술지 Intraoperative electrocorticography in epilepsy surgery: Useful or not? http://www.seizure-j[...]


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