청각신호와 운동의도 간 신경 매커니즘 규명 및 예측 알고리즘 개발
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청각 연상(imagery),지각(perception)및 산출(reproduction)이 운동의도(movement intention)유발에 미치는 영향을 신경과학적으로 측정하고,이를 바탕으로 운동재활(sensorimotor rehabilitation)에 적용 가능한 청각-운동의도 예측 알고리즘을 개발 및 검증하는 것이 본 연구의 목표임.기존 재활현장에서 보다 효과적인 운동의도 유도기법(induction technique)의 필요성이 제기되는 바,1)청각 자극이 운동신경계의 즉각적 활성화(priming of auditory-motor pathway)및 동조화(rhythmic entrainment)를 유발하고,2)운동 전 과정에 효과적 신호를 제공 한다는 점(cueing of movement)에 착안,이에 대한 새로운 솔루션을 제시하고자 함.본 연구의 1차년도 목표는 청각 운동의도 유도 프로토콜을 개발하고,이를 정상성인과 뇌졸중 환자를 대상으로 청각 유도기법과 기존 기법에 대한 뇌 영역 활성화 및 기능적 연결성(functional connectivity)을 비교·분석하는 것임.2차년도 목표는 1차년도 수집 데이터를 바탕으로 DNN 분류 모형을 개발(training set)하고,뇌졸중 환자를 대상으로 데이터를 추가 수집하여(아급성기,만성기)개발 모형의 유효성을 검증(test set)및 최종 예측 알고리즘을 수립하는 것임.
1.이를 위한 세부 연구 내용은 다음과 같음.1)청각 자극을 활용한 운동의도 유도 프로토콜 개발;2)정상성인과 뇌졸중 환자를 대상으로 청각 유도기법과 기존 기법에 대한 뇌 영역 활성화 및 기능적 연결성(functional connectivity)을 비교·분석;3)심층신경망(deep neural network,DNN)을 활용하여 청각 기법이 성공적 운동의도에 기여하는 특징을 추출,청각-운동의도 예측 알고리듬을 개발 및 검증;4)청각-신경재활 훈련시스템을 위한 활용방안 제시.2.이에 대한 연구가설은 다음과 같음.1)연구가설1 운동피질(C3,C4,FC3,FC4,Fz,이하 동일)에서 발생하는 mu rhythm(8-13Hz)과 beta rhythm(13-30Hz)의 amplitude는 청각자극을 활용한 운동의도 유도 기법과 기존 기법 간 유의한 차이를 보일 것이다.-선행연구 결과 청각지각과 청각연상에 의한 운동의도 및 뇌파 동기화는 delta(1-4Hz),theta(4-8Hz),beta(13-30Hz),gamma(30-70Hz)에서 관찰됨[15,32-36].기존 기법(visual motor imagery)에 의한 운동의도는 뮤리듬(mu rhythm,8-13 Hz)과 베타리듬에서 측정됨.따라서 본 연구에서는 mu rhythm과 beta rhythm을 사용하여,두 기법이 운동의도 유발에 미치는 영향을 비교하고자 함.2)연구가설2 운동피질,감각피질(시각-O1,Oz,O2;청각-T3,T4),체성 및 두정피질(CP3,CP4,P3,P4),전전두피질(Fp1,Fpz,Fp2)에서 발생한 mu rhythm과 beta rhythm의 기능적 연결성(degree centrality,local efficiency)은 청각자극을 활용한 운동의도 유도 기법과 기존 기법 간 유의한 차이를 보일 것이다.-청각 자극의 즉각적 운동신경 활성화를 보고한 선행연구 결과에 따라,본 연구에서는 청각 유도 조건에서 기존 유도 조건보다 degree centrality(연결중심성)와 local efficiency(국소통합성)가 유의하게 높을 것으로 예상함.또한,청각 자극이 시각자극보다 광범위하며 양반구 대칭적인 활성화를 유발한다는 연구 결과를 고려하여,청각 조건에서 양측성(bilateral)기능적 연결 성향을 보일 것으로 예상됨.이는 모드(운동수행 vs.운동연상)에 따라 동측(ipsilateral)혹은 대측(contralateral)증가를 보고한 기존 유도기법을 활용한 선행 연구 결과와 차별화 된 결과임.3)연구가설3 운동,감각,체성 및 두정,전전두 피질에서 발생하는 mu rhythm과 beta rhythm을 사용하여 개발된 심층신경망(DNN)기반 운동의도 모형은,뇌졸중 환자에 있어 청각자극을 활용한 운동의도 유도 기법과 기존 기법 간 유의한 분류성을 보일 것이다.-청각-운동 신경계 활성화의 기저 매커니즘에 대한 가설이 제기되고 있지만(Dynamic attending theory,Sensory-motor perception of rhythm perception,Prediction of external event with a motor system 등),실제 재활 현장에 청각 자극을 활용한 운동의도 예측 모형은 개발되지 않았음.따라서 본 연구에서는 청각 기법과 기존 기법에 해당하는 DNN 기반 운동의도 예측 모형을 개발하고 두 모형 간 분류 성능을 비교하여,청각 기법이 보다 정확하고 즉각적인 운동유도 유발이 가능하다는 것을 검증하고자 함.
*청각 기반 뇌-컴퓨터 인터페이스 운동재활 연구(Auditory-BCI for sensorimotor neurorehabilitation):본 연구에서 개발한 청각-운동 알고리즘을 바탕으로 선천적,후천적 중추 신경계 손상으로 인하여 심각한 운동기능 저하를 경험하는 다양한 환자군(외상성 뇌손상,파킨슨 증후군,뇌성마비 등)에게 적용 가능한 BCI 기반 운동재활 콘텐츠를 개발 및 장기 훈련에 따른 임상 효과 검증 연구를 수행하고자 함.또한,연구 결과를 기술 이전 및 사업화하여 U-헬스케어 시스템과 연계,고령화 사회 도래로 인하여 급증하고 있는 뇌졸중 인구에게 지속적 의료 지원 솔루션으로 적용가능 함.*사운드 바이오마커 및 추정 원천기술 개발 연구:기계학습의 다양한 방법론을 활용하여 감각-운동 기능평가 및 재활에 필요한 대리표지자(surrogate marker)와 추정 알고리듬을 개발하고자 함.특히,감각-인지-운동 간 통합 이상이 주요 병리 매커니즘인 자폐범주성 장애,조현병 환자 등을 대상으로 청각자극에 대한 행동 및 뇌과학 데이터를 측정,진단 및 증상,신경병리 특이성을 파악하는 기초연구를 시행하고,이를 바탕으로 반영한 저비용,고효율 조기진단 시스템(cost-effective transdisciplinary diagnostic system)개발로 확장 가능함.