본 연구는 BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 폐쇄 루프 ta-VNS 시스템의 표준화된 프로토콜을 시연합니다. 더 나아가, BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 폐쇄 루프 ta-VNS 시스템의 효능을 샤므 ta-VNS와 비교하여, 뇌졸중 재활에서의 임상적 적용에 대한 중요한 근거를 제시합니다.
방법 논문
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본 연구는 BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 폐쇄 루프 ta-VNS 시스템의 표준화된 프로토콜을 시연합니다. 더 나아가, BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 폐쇄 루프 ta-VNS 시스템의 효능을 샤므 ta-VNS와 비교하여, 뇌졸중 재활에서의 임상적 적용에 대한 중요한 근거를 제시합니다.
경피적 이방 미주신경 자극(ta-VNS)은 전극을 통해 이방 갑개에 전기 자극을 가하는 것을 포함합니다. 이로 인해 미주신경 구심성 섬유가 활성화되어 말초에서 뇌간으로 올라가는 경로를 시작하고, 궁극적으로 중심 미주신경 투사를 자극하고 신경 가소성을 촉진합니다. 이전 연구들은 ta-VNS와 운동 훈련을 병행하면 뇌졸중 후 운동 회복에 시너지 효과를 낸다는 것을 입증했습니다. 그러나 이러한 결합 접근법은 일반적으로 고정된 매개변수를 가진 개방루프 자극을 사용하여 동적 신경 활동에 대한 실시간 폐쇄 루프 반응성이 부족합니다. 이 한계를 해결하기 위해 뇌파검사(EEG) 트리거 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 운동 훈련과 동기화된 새로운 폐쇄 루프 ta-VNS 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 피질척수 결합을 강화하고 시냅스 가소성을 촉진하도록 설계되었습니다. 뇌졸중 환자에게 BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 이 폐쇄루프 TA-VNS 시스템을 적용하기 위한 표준화된 프로토콜을 확립하였습니다. EEG 기반 기능 평가를 사용하여, BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 폐쇄 루프 ta-VNS 시스템과 BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 가짜 ta-VNS 시스템의 효과를 비교하였습니다. 이 연구는 뇌졸중 재활에 이 접근법을 임상적으로 적용하기 위한 방법론적·이론적 기반을 제공합니다.
경피적 이방 미주신경 자극(ta-VNS)은 뇌졸중 후 운동 장애를 완화하기 위해 사용되는 비침습적 신경조절 기법입니다. 이 방법은 전극으로 이심 막을 자극하여 미주신경의 이심 가지를 활성화하는 것을 포함합니다. 이러한 자극은 고독 핵(NTS)-고전좌(LC) 경로2를 시작하며, 이 경로는 운동 피질, 전두엽, 시상, 소뇌의 중심 미주신경 돌출부로 올라갑니다. 이 과정은 신경 가소성과 네트워크재조직을 강화합니다. 전통적인 침습적 미주신경 자극과 비교할 때, ta-VNS는 치료 효능을 유지하면서 수술 위험과 합병증 발생률을 줄입니다. 이러한 장점들은 재활과학 분야에서 중요한 연구 초점으로 자리매김합니다 5,6,7.
임상 증거는 ta-VNS와 운동 훈련의 결합이 뇌졸중 후 운동 기능 향상에 효과적임을 지지합니다. Chang 등은 상지 장애가 있는 뇌졸중 환자 36명을 두 그룹 으로 무작위로 배정하였다: 로봇 운동 훈련과 결합된 능동적 ta-VNS 그룹과 로봇 훈련이 결합된 가짜 ta-VNS. 활성 ta-VNS 그룹은 상지 경직과 근전도 활동에서 SHAM 그룹보다 유의하게 더 큰 개선을 보였으며, 운동 회복이 향상되었음을 나타냈습니다. 이 결과를 보완하여, Zheng 등은 운동 유발 전위를 활용해 뇌졸중 환자가 로봇 훈련과 동시적으로 ta-VNS를 받았을 때, 로봇 훈련만을 받은 환자에 비해 일차 운동 피질(M1) 흥분성(진폭)과 전도 효율성(지연 감소)이 증가함을 보였다. 이는 결합된 ta-VNS가 기능적 피질 재조직을 촉진하여 운동 회복을 촉진함을 시사합니다.
그러나 기존의 복합 중재는 일반적으로 고정 매개변수 개방 루프 자극을 사용하여 신경 상태에 대한 동적 폐쇄 루프 반응성이 부족합니다. 이 한계를 해결하기 위해, 우리는 ta-VNS와 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기반 운동 훈련을 통합한 새로운 뇌파(EEG) 트리거 폐쇄 루프 시스템을 설계했으며(그림 1), 동기화 시스템, EEG 획득 장치, 손 재활용 공압 장갑, 그리고 ta-VNS 장치의 네 가지 구성 요소로 구성되어 있습니다. EEG 획득 장치는 EEG 신호를 해독하여 운동 의도 관련 뇌 참여를 포착하며, 실시간 참여 특성을 바이오마커로 활용하여 공압 장갑과 ta-VNS 장치10을 작동시킵니다. 두 장치 모두 유선 직렬 포트를 통해 동기화 호스트에 연결됩니다. 뇌 참여가 미리 정해진 임계값에 도달하면 기기들이 동기식으로 작동하여 운동 훈련과 정확히 일치하는 폐쇄 루프 TA-VNS 개입이 가능합니다. 이러한 동기화는 운동 피질과 척수 운동 뉴런 간의 시냅스 효율성을 향상시킬 것으로 가설화되었으며, 이전 연구에서 ta-VNS와 운동 훈련이 결합되면 피질 흥분성과 시냅스 기능을 조절할 수 있다고 제안되었습니다11. 반대로, 뇌 참여 값이 임계값 이하일 경우 ta-VNS는 발동되지 않습니다. 이 시스템은 운동과 동기화된 폐쇄 고리 ta-VNS가 운동 회복 결과를 향상시킬 잠재력을 보여준 점을 고려할 때, 피질척수 결합을 강화하고 시냅스 가소성을 촉진할 것으로 기대된다12.
이 시스템은 주로 상지 운동 기능 장애를 겪는 뇌졸중 환자에게 적합합니다. 자격은 환자가 과제 순응을 위한 충분한 인지 능력과 안정적인 생체 징후를 갖추어야 합니다. 주요 금기사항으로는 이식된 전자기기, 청방 자극 부위의 피부 병변 또는 이상, 진단된 경추 미주신경 병리, 특정 부정맥 등이 있습니다. 운영 제약은 훈련된 인력이 개입을 시행해야 하고, 초기 세션 동안 자극 내성과 절차적 안전성을 보장하기 위한 지속적인 모니터링이 필요하다는 점이 포함됩니다.
이 통합 시스템의 새로움을 고려할 때, 표준화된 애플리케이션 프로토콜이 방법의 일관된 관리 및 복제를 보장하는 데 필수적입니다. 따라서 이 방법론 논문의 주요 목적은 BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 폐쇄 루프 ta-VNS 시스템에 대한 표준화된 프로토콜을 제시하는 것입니다. 또한, 대표적인 사례에서 EEG 기반 기능 평가를 사용하여 BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 폐쇄 루프 ta-VNS 시스템의 신경 조절 효과를 예비적으로 탐색하고자 했습니다. 이 연구는 방법론적 기초를 확립하고 임상 환경에서 이 동기화된 개입을 적용하는 초기 가능성을 입증합니다.
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이 연구는 2025년 4월 30일 중국 선전에 위치한 쑨산대학교 제7부속병원 의학윤리협회(승인번호: KY-2025-318-01)로부터 승인받았습니다. 이 임상시험은 2025년 6월 16일 중국 임상시험 등록부(등록번호: ChiCTR2500104317)에 등록되었습니다. 피실험자는 사전 동의서에 서명했습니다.
1. 모집
2. 기본 정보 수집
3. BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 폐쇄 루프 ta-VNS 시스템
4. BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 가짜 ta-VNS
5. 오프라인 EEG 데이터 처리 및 분석
참고: 오프라인 EEG 데이터 처리 및 분석은 EEGLAB(v2024.2) 및 ERPLAB(v12.00) 툴박스와 함께 MATLAB R2021a를 사용하여 수행되었습니다. 처리 파이프라인은 전처리와 분석 두 가지 주요 단계로 구성되었습니다.
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37세 남성 뇌졸중 환자는 두 가지 중재를 연이어 받았는데, 하나는 BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 폐쇄 루프 ta-VNS 시스템이고, 다른 하나는 BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 가짜 TA-VNS 시스템입니다. 기초 특성 은 표 1에 제시되어 있습니다. 시스템 개입 매개변수는 표 2에 제시되어 있습니다.
뇌졸중 환자에 대해서는 두 중재 프로토콜 모두에서 성공적인 운동 영상 임상시험 수가 기록되었습니다. BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 20분간의 폐쇄 루프 ta-VNS 동안 54회의 성공적인 트리거가 기록되었으며, 각 트리거는 5초간 동시에 공압 장갑 운동과 verum ta-VNS를 시작하여 총 유효 자극 시간은 270초(성공 트리거 수× 5초 단위로 계산됨). 20분 동안, BCI 기반 운동 훈련과 동기화된 가짜 TA-VNS 43회의 성공적인 트리거가 ...
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이전 연구들은 ta-VNS를 전통적인 운동 훈련과 동기화하는 것이 뇌졸중 후 운동 회복을 위한 치료 효과를 최적화하는 것으로 확인되었으며, 이는 신경 재조직을 촉진하는 정밀한 신경조절을 통해 가능할 것으로 보입니다 8,14. 이 증거를 바탕으로 표준화된 실험 프로토콜을 수립하고 EEG 바이오마커를 활용해 감각운동 피질 활성화 패턴을 모니터링하였으며, 특히 개입 기간 동안 알파 및 베타 밴드 지형 분포에 반영되었습니다.
폐루프 시스템의 구현과 실험적 무결성은 여러 중요한 절차에 의존합니다: 첫째, 국제 10-10 시스템(단계 3.2.7–3.2.8)에 따른 정확한 EEG 전극 배치와 임피던스 검증(단계 3.3.4)이 필수적입니다. 30개의 EEG와 2개의 EOG 전극을 최적 위치로 배치하면 신호 품질
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저자들은 공개할 이해 상충이 없습니다.
이 연구는 광둥 자연과학재단(2025A1515010360, 2023A1515010586), 선전 의학 연구 기금(C2301002), 선전 기초연구특별 기초연구(자연과학재단 기초연구) JCYJ20240813150305007, 광저우 임상 특성 기술 프로그램(2023C-TS19)의 지원을 받았습니다.
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| 염화나트륨 | 시안 진태 지능기술유한회사. | 4.5g, 전해질 용액 제조에 사용됨 | |
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| 젖은 병 | 시안 진태 지능기술유한회사. | 용량: 250 mL, 보풀 솜 담그는 용도로 |
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