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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국과학기술연구원 Korea Institute Of Science and Technology |
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연구책임자 | 배애님 |
보고서유형 | 1단계보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2018-10 |
과제시작연도 | 2017 |
주관부처 | 과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 | TRKO201900002028 |
과제고유번호 | 1711063488 |
사업명 | 국가과학기술연구회연구운영비지원 |
DB 구축일자 | 2019-06-08 |
3. 핵심가치별 성과 요약
3-1. 핵심가치 1-1(생체신호기반 치매 조기 진단 기술 개발 ) 성과 요약
■ 웨어러블 생체정보 기반 치매 뉴로마커 발굴
• 치매 마우스 모델 평가를 위한 인지검사도구 개발
✔ 치매 마우스 모델에 대한 평가는 대부분 water maze 등 기억력 기반의 평가임. 그러나 조기 치매에 관련된 인지손상을 측정하기 위해서는 경도인지장애 환자들에게서 보이는 인지장애를 평가를 해야하나 마우스 대상으로 이를 평가할 수 있는 인지검사도구가 없음.
✔ 조기치매환자에게서 보이는 인지장애를 마우
3. 핵심가치별 성과 요약
3-1. 핵심가치 1-1(생체신호기반 치매 조기 진단 기술 개발 ) 성과 요약
■ 웨어러블 생체정보 기반 치매 뉴로마커 발굴
• 치매 마우스 모델 평가를 위한 인지검사도구 개발
✔ 치매 마우스 모델에 대한 평가는 대부분 water maze 등 기억력 기반의 평가임. 그러나 조기 치매에 관련된 인지손상을 측정하기 위해서는 경도인지장애 환자들에게서 보이는 인지장애를 평가를 해야하나 마우스 대상으로 이를 평가할 수 있는 인지검사도구가 없음.
✔ 조기치매환자에게서 보이는 인지장애를 마우스에서 테스트하기 위해 후각소실 (olfactory dysfunction), 지각 손상 (perceptual integration), 주의집증(selective attention) 능력 소실, 지속적 주의력 유지 기능 손실 (sustained attention) 을 검사하기 위한 인지검사법을 개발함.
✔ (세계최초) 치매 마우스의 후각 인지기능을 정량적으로 평가하기 위해 냄새를 1 ms 단위로 제어할 수 있는 2채널 후각계를 개발함
✔ 치매 마우스 전전두엽의 주의집중 능력 소실을 검사하기 위해 오드볼 패러다임을 개발함
✔ 치매 마우스의 지각적 통합과정엥서 나타나는 감마뇌파를 연구하기 위해 무작위로 움직이는 점들이 일체화된 움직임으로 변하는 것을 인지하기 위핸 무선점 운동 검사법을 개발함.
✔ 정상적인 노화 대비 알츠하이머 치매에서 빠르게 손상되는 한 작업에 몰두할 수 있도록 만들어주는 지속적 주의능력을 마우스에서 테스트하기 위해 Go/NoGo 프로토콜 기반 지속적 주의능력 검사도구를 개발함.
• 치매 마우스 모델의 뇌파 특성 평가를 위한 신경과학적 도구 세계최초 개발
✔ 치매가 되기 전에 미리 알수 있기 위해서는 치매 관련된 뇌신경회로가 손상이되기 시작한 시점에서 발현되는 뇌파 특이점을 찾는 것이 핵심임. 문제는 (1)치매 초기 단계에 결정적 역할을 하는 뇌신경회로가 알려져 있지 않다는 점,(2) 치매 마우스의 뇌파 특성을 파악하기 위한 다채널 뇌파영상 획득기술이 없다는 점이 있음. 이 문제를 해결하기 위해 opto-EEG 및 고해상도 뇌파 맵 획득 기술을 세계최초로 개발함.
✔ (세계최초) opto-EEG 방법론 개발을 통한 거시적 기능 커넥톰 (macroscopic functional connectome) 구축 기법 개발하고, 이를 기반으로 치매 관련 신경회로를 선택적으로 on/off 하여 뇌파의 변화를 관찰하는 실험 및 이론기법을 구축함.
✔ (세계최초) 치매 마우스 모델의 뇌파 특성을 평가하는 도구를 인간뇌파를 분석하는 수준까지 끌어올려 이를 오픈소스화 함.
• 치매 마우스 모델의 뇌파 특성 평가
✔ (세계최초) 치매 마우스 코호트 연구: 아밀로이드 침착이 기타 치매
모델마우스 보다 빠른 5xFAD 모델에서 인지 및 행동 변화와 뇌파를 45주간에 거쳐 추적조사 함. 이 연구를 통해 뇌파지표의 결정적 변화시기가 6개월 전후임을 밝힘.
✔ 치매 환자가 호소하는 기억 장애 증상은 해마 기능 이상과 관련이 있음.
우리는 치매 모델 마우스 (APP/PS1)에서 이 쎄타파의 감마파 묶음 현상이 유의미하게 감소함을 발견함. 쎄타파의 감마파 묶음 현상은 정보를 획득하고 기억을 변환하는 과정에서 생기는 뇌파로, 치매 모델에서 발견한 것은 보고된 바 없음. 또한, 위치 탐색 시험에서 해당 마우스의 위치 연합 기억력이 저하역시 확인함.
• 콜린계 이상 회로 발굴 및 뇌파 특성 평가
✔ 알츠하이머 치매 발병 가설로 가장 강한 콜린 가설 (cholinergic hypothesis)를 바탕으로, 콜린 신경계 중 전두엽 기능에 결정적으로 중요한 신경회로를 찾고, 이 신경회로의 인지기능 조절에 미치는 영향을 탐구하고, 해당 치매마우스 모델에서 신경회로를 약화시켰을 때 신경생리학과 인지기능에서 미치는 영향을 탐구함.
✔ 콜린 신경계인 전뇌기저부에서 2-3%도 차지하고 있지 않는 억제성 전사뉴런을 opto-EEG 기반 시간 의존 섭동법 (time-dependent perturbation)으로 인지에 미치는 역할을 밝힘. 전뇌기저엽의 억제성 전사 뉴런이 인간의 의식의 전환을 설명하는 광대역 동작 영역 (Global workspace)를 열고 닫는 다는 것을 확임함. 해당 광대역 동작 영역은 감마 뇌파 네트워크로 정량화 됨.
✔ 전뇌기저부 파브 알부민 신경세포 기능을 RNA 간섭을 통해 억제함으로써 전두엽 및 해마 영역의 뇌파 지표에 유미미한 변화를 일으킴을 발견함.
• 전두엽 이상 평가도구 개발 및 뇌파 특성 평가
✔ 아밀로이드 베타를 뇌에 삽입한 알츠하이머 치매 마우스 모델에서 뇌파의 청각에 대한 사건관련전위가 유의미하게 줄어듬을 관측하고, Y-미로 검사점수와 유의미한 상관관계가 있음을 발견함.
■ 치매 진단을 위한 웨어러블 시스템 구축
• 인지실험도구에 따라 하기 그림과 같이 다양한 형태의 웨어러블 시스템을 구축함.
• (UCSD 와 대만 교통대 협업) 가상현실 및 뇌파, 안구움직임을 동시에 측정할 수 있는 통합 측정 도구 개발
■ 웨어러블 시스템 기반 신경인지검사도구 개발
• 3차원 영상기반 기억력 검사도구 개발
✔ 일반적인 기억력 검사는 환자들이 자발적으로 응시하기 쉽지 않음. 또한,검사자의 대응에 따라 결과가 판이하게 다르고, 측정 환경을 완벽하게 통제하는 것도 불가능함. 이 문제를 해결하기 위해 360도 카메라와 전문연극배우로 촬영한 단막극을 기반으로 기억력을 평가하는 도구를 만듬.
고위험군 경도인지장애가 위치와 연합된 기억력이 쇠퇴한다는 뇌과학적 연구결과를 기반으로 시나리오를 작성하고, 응답률을 기반으로 정상/아밀로이드 음성 경도인지장애/양성 경도인지장애/치매 4군을 분류하는 알고리즘을 기계학습 및 통계적 방법으로 개발함. 아밀로이드 PET 대비 90%이상의 민감도로 각 군을 예측함.
• 가상현실 기반 기억력 검사도구 개발
✔ 알츠하이머 치매 환자들의 해마복합체의 조기퇴화에 따른 장소관련 연합기억과 두정엽 손상에 따른 시공간 인지능력저하 및 전전두엽의 작업기억능력을 동시에 측정할 수 있는 검사도구를 개발함. 가상현실 기반으로 사용자가 재미를 느끼며 검사에 응할 수 있음. 행동 데이터 및 위치데이터 기반으로 통계적으로 유의미한 결과를 얻음.
• 아이트랙커 기반 기억력 검사도구 개발
✔ 치매진단을 목적으로 임상에서 사용하는 Rey 복잡도를 따라그리는 행위를터치펜과 아이트레커 기반으로 추적하는 검사도구를 개발함. 단순 기억력만 측정하는 기존 Rey 복합도 대비 전전두엽 손상에 따른 사고력 저하, 행동능력 저하 등을 평가함.
• HMD 기반 대뇌비대칭성 검사도구 개발
✔ 알츠하이머 환자의 대다수에서 발견되는 측두-두정엽 손상을 측정하기 위해 HMD 기반의 대뇌비대칭성 검사도구를 개발함. 안구운동 추적 만으로도 이상시선처리 행동을 관찰할 수 있고, 일르 기반으로 대뇌비대칭성, 시공간인지능력, 선택적 주의집중력 등에 관한 인지기능 평가가 가능함.
• HMD 기반 전두엽 이상 검사도구 개발
✔ 시각정 정보를 통합적으로 인지하는 feature binding 능력을 검사할 수 있는 무선점 운동 시각자극 도구를 개발함. 이를 통해 전전두엽의 시각정보 통합 기능을 측정함.
■ 웨어러블 시스템 기반 치매 조기 예측 및 분류 알고리즘 개발
• 치매 관련 뇌파 특성 인자 추출
✔ 뇌파의 빠른 주파수 성분인 감마파 기반 치매 관련 특성 인자를 추출함. 무선점 운동이 무작위한 운동에서 일관된 움직임으로 변화되는 순간을 인지하는 것을 행동 및 뇌파상으로 측정함. 행동 데이터 상으로는 치매환자와 경도인지장애/정상군이 다르게 행동한다는 것을 유의미하게 관측함. 반면 뇌파상으로 경도인지장애에서도 감마파가 손상되어 있음을 관측함.
• 치매 관련 시선움직임 특성 인자 추출
✔ 아이트래커가 포함된 HMD 기반의 광흐름 시각자극 기반으로 치매환자의 시선움직임이 정상인 대비 비정상적으로 움직임을 관찰함. 특히, 타겟을 응시하는 능력이 매우 떨어짐을 관찰함.
• PET 양성 반응군 예측
✔ 3차원 영상 기반의 기억력 테스트인 Social Event Memory Test (SEMT)를 기반으로 정상, 아밀로이드 음성 경도인지장애, 아밀로이드 양성 경도인지장애, 알츠하이머 치매 군을 support vecor machine 기계학습 기법으로 분류알고리즘을 개발함. 또한, 아밀로이드 양성군을 96%의 확률로 예측하는 함수를 개발함.
• 정상, 조기치매 (EOAD), 치매 (LOAD) 분류
✔ 복잡도 따라그리기의 행동을 기반으로 조기치매와 치매를 구별할 수 있는 통계적으로 유의한 치매 종류 분류 알고리즘을 구축함. 또한 91%의 민감도와 87%의 특이도의 치매 분류 알고리즘을 개발함.
(출처 : 요약서 7p)
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
키워드(keyword) : | - |
과제수행기간(LeadAgency) : | - |
연구목표(Goal) : | - |
연구내용(Abstract) : | - |
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