포스텍(POSTECH, 포항공과대학교) 연구팀이 뇌의 심혈관 조절 원리를 재현한 ‘디지털 트윈(Digital Twin)’을 개발했다. 디지털 트윈은 실제 대상을 가상 환경에서 재현하는 기술을 말한다. 이를 바탕으로 고혈압 치료의 새로운 가능성을 제시해 줄 것으로 기대된다.
고혈압, 조용한 살인자
고혈압은 대표적인 만성 건강 문제 중 하나다. 뚜렷하게 어떤 증상이 나타나지는 않지만, 혈관계에 지속적인 영향을 미쳐 뇌졸중이나 심혈관계 질환을 유발하는 주요 요인으로 꼽힌다.
수많은 사람들이 고혈압으로 인해 지속적으로 약을 먹고 있으며, 그로 인한 부작용으로 삶의 질이 저하되는 문제를 겪고 있다. 무엇보다 약을 먹는 것은 일시적으로 증상을 완화시켜주는 것이다. 따라서 근본적인 고혈압 치료법이라 하기는 어렵다.
최근에는 약을 대신할 수 있는 신경자극(Neurostimulation) 기반의 고혈압 치료법이 주목을 받기도 한다. 신경 신호를 인위적으로 조절해 혈압을 낮추는 원리다. 하지만 자극을 가했을 때 혈압 변화로 이어지는 메커니즘을 정확하게 예측하기가 어려워, 정밀한 치료에는 한계가 있었다.
혈압 조절 기능 디지털 트윈 구현
POSTECH 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 뇌에서 혈압 조절을 담당하는 ‘고립로핵(Nucleus Tractus Solitarius, NTS)’에 주목했다. 고립로핵은 뇌의 가장 아래쪽에 있는 뇌간(Brainstem)의 연수(Medulla Oblongata)에 위치한 신경핵으로, 몸속 장기들로부터 오는 감각 정보를 수신하는 ‘관제탑’ 역할을 하는 곳이다.
고립로핵은 다양한 기능을 담당하며, 그중 자율신경계를 조절하는 핵심 역할도 포함돼 있다. 혈압 역시 자율신경계에 의해 조절되므로 고립로핵의 통제 대상이다. 즉, 고립로핵의 신경신호를 파악할 수 있다면 고혈압 치료의 원리를 밝혀낼 수 있다는 것이다.
POSTECH 연구팀은 몸 곳곳에서 전달되는 다양한 신경 신호가 NTS에 도달하면, 몇 가지 핵심 신호로 압축되는 ‘저차원 잠재공간 변환’ 과정이 일어난다는 사실을 밝혀냈다. 예를 들어, ‘혈압이 높아요’, ‘심장이 빨리 뛰어요’, ‘혈관이 좁아졌어요’와 같은 신호가 들어오면, 이를 종합해 ‘혈압을 낮추자’와 같은 간단한 통합 명령으로 변환하는 식이다.
연구팀은 이 과정을 디지털 트윈으로 구현함으로써, 자극을 통해 변한 신경신호가 혈압에 어떤 영향을 미치는지를 예측하는 데 성공했다. 이를 바탕으로 효과적인 자극을 정밀하게 설계할 수 있게 된 것이다.
실제 고혈압 치료 기술 잠재력
POSTECH 연구팀이 개발한 디지털 트윈은 단순히 가상 환경에서의 재현에 그치지 않고, 실제 고혈압 치료 기술로의 적용 가능성까지 보여줬다. 연구팀은 디지털 트윈을 활용한 ‘자동 최적화 시스템’ 개발 가능성을 입증했다. 환자마다 맞춤형으로 가장 효과적인 신경자극 패턴을 찾아주는 시스템이다.
이 시스템은 센서를 통해 환자의 신체 상태를 실시간 모니터링하고, 부작용을 최소화하며 혈압을 최적화할 수 있는 신경자극을 계산해낸다. 현재 일선 병원에서 사용 중인 의료기기와도 연동할 수 있어, 실제 개발될 경우 임상 현장에서도 빠르게 적용할 수 있는 잠재력도 가지고 있다.
POSTECH IT융합공학과·기계공학과·전자전기공학과 박성민 교수는 “디지털 트윈 기반 신경자극 기술은 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 이용하는 고혈압 관리 방식이다”라며 “약물 의존도를 줄이고 보다 안전하고 효과적으로 관리할 수 있는 길을 연 것”이라고 이야기했다.
이번 연구는 네이처(Nature)의 파트너 저널인 에 지난 4월 23일 게재됐다.
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