Address for correspondence : Joong Ho Ahn, MD, Department of Otolaryngology, University of Ulsan College of Medicine, Asan Medical Center, 88 Olympic-ro 43-gil, Songpa-gu, Seoul 138-736, Korea
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서론

3차원 전정안 반사(3-dimensional angular vestibulo-ocular reflex)는 고개가 움직이는 방향과 반대방향으로 눈을 회전시킴으로 망막에 비춰지는 사물의 이미지를 안정화시킴으로 움직이는 사물, 또는 몸이 이동하면서 고정된 사물에 시선을 고정시키는 역할을 수행하며, 이러한 머리의 움직임은 주로 양측 내이에 위치한 세개의 반고리관에 의해 감지되어 이들은 각 전정신경의 미로팽대부 신경(ampullary branches of vestibular nerve)의 흥분속도(firing rate)를 변화시키고 이를 중추부로 전달하여 눈의 반사적인 움직임을 일으키게 한다.¹⁾ 또한 이들 반고리관과 더불어 난형낭(utricle)과 구형낭(saccule)은 중력에 따른 가속도를 감지하여 각각 수평과 수직운동을 조절하게 된다.
이러한 전정기관(vestibular organs)의 기능상실에 따른 다양한 정도의 평형장애가 보고되고 있으며, 일측성 전정신경염이나 일측의 전정신경초종 수술로 인한 일측의 전정기능 소실 환자들이 전정정보상 운동(vestibular adaptation exercises)을 통해 비교적 적응하여 균형을 잡고 생활할 수 있는데 비해,^2,3) 양측 전정기능 소실 환자들은 보행 중 고개가 움직일 때마다 전정안 반사(vesibulo-ocular reflex, VOR), 전정척수 반사(vestibule-spinal reflex)의 소실로 시선이 제대로 고정되지 않아 시야가 흐려짐을 경험하고(oscillopsia), 정상적인 자세를 유지하기가 힘들며, 만성적인 불균형을 호소하게 된다.⁴⁾ 이러한 양측 전정기능 소실(bilateral vestibular deficiency)에 대한 빈도 및 유병률에 관해 2008년 United States National Health Interview Survey를 통해 연구가 진행되었는데 전국에서 무작위로 추출된 21782명의 성인들 중 26명에서 지속적인 양측 전정기능 소실 증상(작년에 어지러웠는지, 신문을 읽을 때 머리를 돌릴 때마다 시야가 흐려지는지, 불안정한 자세, 5년 이상 지속된 증상, 그리고 이러한 불편함이 '심하다' 혹은 '매우 심하다'인지를 모두 선택한 경우)을 보고하였다. 이 연구에 참여한 총 21782명의 무작위로 선발된 성인들 중 26명의 응답자에서 만성적으로 지속된 양측 전정기능 소실을 보고하였고 이는 대략 10만 명의 성인들 중 120명의 빈도를 보이며, 전세계적으로 약 6백만 명의 환자를 예측할 수 있었다.⁵⁾ 이러한 양측성 전정기능 소실은 다양한 원인에 의해 발생하며 예를 들어 아미노글리코시드 항생제를 포함한 이독성 약물복용, 감염, 양측성 메니에르씨 병, 혹은 양측미로의 외상 등을 들 수 있으며, 특히 양측에 인공와우 이식을 받는 환자가 늘어감에 따라 의인성 양측 전정기능 소실 환자의 빈도가 증가할 가능성이 있다.⁶⁾
이러한 양측성 전정기능 소실 환자의 재활을 위하여 활발한 연구가 진행되고 있으며, 특히 3차원적인 머리의 움직임을 감지하여 이러한 머리의 움직임을 각각 세 개의 반고리관으로 전달하는 다채널 인공 전정기(multichannel vestibular prosthesis)의 개발과 임상적 응용에 대한 연구과정과 그 결과들에 대해서 알아보고자 하며 현재 가장 활발한 연구업적을 보이고 있는 Johns Hopkins 대학의 연구결과를 중심으로 서술하고자 한다.

다채널 전정기의 디자인 및 수술적 방법

다채널 전정기는 서로 직교하는 3개의 축으로 구성된 회전 감지기로 구성되어 머리의 3차원적인 각속도를 세 개의 반고리관의 팽대부에 전달하는 역할을 수행한다.⁷⁾ 두개 내 이식되는 기기는 현재 사용 중인 인공와우(cochlear implant)와 유사한 형태로 총 네 개의 전선(carriers)으로 구성되어 있으며 세 개의 반고리관에 삽입되는 전선은 두 개로 구성되어 이들 중 하나는 수평과 수직 반고리관에 삽입되고(E4-9), 나머지는 후 반고리관에 삽입된다(E1-3). 각 팽대부에 삽입되는 전선의 전극(electrode)은 각각 3개로 구성되어 총 9개의 전극이 세 반고리관의 팽대부를 자극하게 된다. 또한 두 개의 참고 전극(reference electrodes)이 있어, 하나는 주변 측두근에, 나머지는 수직 반고리관과 후 반고리관의 공통각(common crus)에 삽입된다(Fig. 1A and B).
머리 외부에 장착하는 기기의 크기는 초기 모델에 비해 작아졌으며(29×29×5 mm3) 현재에도 더욱 작고 배터리 효율이 높은 기기를 만들기 위해 연구 중이다.⁸⁾ 또한 인공와우와 달리 머리의 움직임에 반응하여 반고리관에 자극을 전달하므로 작더라도 기기의 불필요한 흔들림이 없어야 하며 이를 위해 외부기기를 머리에 흔들림 없이 부착시키기 위한 자석의 적절한 자력 및 위치에 관한 연구 역시 진행 중에 있다.
다채널 전정기기의 세 반고리관 내 이식은 기존의 인공와우 이식술에 크게 다르지 않으며 이식기 본체를 유양동 상후반부에 거치시킨 후 폐쇄형 유양동 삭개술을 시행하고 각 반고리관의 팽대부를 찾은 다음, 수직 반고리관과 수평 반고리관에 끝이 전기 코드형으로 갈라진 한 개의 전극을, 후 반고리관에 나머지 전극을 삽입하고 두 개의 참고전극을 측두근 내와 공통각 내에 삽입하고 마치게 된다.⁸⁾

다채널 전정기의 신호전달 방식 및 전정안 반사의 유도

현재 Johns Hopkins 대학에서 개발 중인 다채널 전정기는 세 개의 서로 직교하는 자이로스코프가 머리의 삼차원적인 회전속도를 감지해서 신호를 세 개의 반고리관에 심어진 전극에 pulse-frequency 변조 방식으로 전달하는 방식이다.⁷⁾ 각각의 머리의 각속도는 이러한 pulse-frequency의 변화를 대응하는 각각의 반고리관에 전달하며 이때 머리 회전시 각속도의 변화에 대응하는 정상적인 전정기관의 활성화 양상을 모방하여 비선형(nonlinear)적인 신호자극을 생산하게 된다(Fig. 1C). 또한 Fig. 2에서와 같이 젠타마이신을 투입하여 일측성 전정기능 소실을 일으킨 친칠라는 정상과 거의 비슷한 전정안 반사를 보이는 것을 알 수 있으며 양측성 전정기능 소실을 일으킨 친칠라에서 어떠한 전정안 반사도 관찰되지 않음을 알 수 있다. 이때 좌측에 다채널 전정기를 삽입하여 자극할 경우 초기에는 비정상적인 전정안 반사를 보이나 어느 정도 전적응(precompensation)을 시킨 다음에는 일측성 전정기능 소실을 일으킨 친칠라와 비슷한 반응을 보임을 알 수 있으며(Fig. 2A) 정상적인 회전축에 대한 반응 역시 전적응을 시킨 다음에는 정상적인 회전축에 근접한 전정안 반사의 반응축을 보임을 알 수 있다(Fig. 2B).⁹⁾

다채널 전정기의 전극 삽입에 따른 청력변화

인공와우 수술은 어느 정도 전정기관의 손상을 일으킬 수 있다고 보고되고 있으며^6,10) 다채널 전정기의 수술 역시 청력기능의 손상을 일으킬 가능성이 있다. 그러나 다채널 전정기를 이식받은 원숭이에서 뚜렷한 청력저하가 관찰되지 않았으며 다채널 전정기의 작동시에도 청력은 5 dB 이하의 청력역치의 변화를 보였다고 발표하였다.¹¹⁾ 난청과 전정기능 소실 환자의 치료를 위한 와우와 전정에 동시에 삽입할 수 있는 하이브리드 형 기기의 개발이 제안되었으며¹²⁾ 만약 어느 정도 청력이 보존된 전정기능 소실 환자에서도 하이브리드 방식의 기기를 이식한 뒤 와우의 전극은 측두근 내에 보관하고 후에 청력소실이 일어난 경우 이차적으로 수술을 하여 와우 내에 전극을 삽입할 수 있을 것을 예상할 수 있다.

다채널 전정기의 자세 및 동작에 미치는 영향

현재 개발되고 있는 모든 인공 전정기는 반고리관을 자극하기 위한 것으로 실제적으로 난형낭과 구형낭의 자극 및 재활을 목표로 하지 않고 있다. 그 이유로는 첫째, 각각의 반고리관내의 모든 신경 돌기가 같은 삼차원의 축을 향하고 있는 반면에 난형낭과 구형낭의 신경돌기는 여러 방향으로 퍼져 있으며 이는 전류 자극시 불가피하게 여러 방향의 신경돌기들을 동시에 자극할 수 있다. 둘째로 자세를 유지하고 안정된 걸음을 걷는데 필요한 전정척수반사(vestibule-spinal reflex)에 이석기관이 관여하는 평행 전정안 반사(translational VOR)는 세 반고리관이 관여하는 회전 전정안 반사(angular VOR)에 비해 중요성이 덜한 것으로 알려져 있다.¹³⁾
따라서 현재까지는 다채널 전정기를 이용하여 이석기관의 기능을 회복시키는 것에 대한 연구가 활발하게 이루어지지 않고 있으나, 최근 다채널 전정기를 부착한 친칠라에서 젠타마이신으로 양측의 전정기능 소실을 일으켰을 때보다 유의하게 원형으로 도는 행동(circling)이 줄어드는 것을 관찰할 수 있었다.¹⁴⁾

현재 다채널 전정기의 문제점

이러한 여러 가지 긍정적인 결과들에도 불구하고, 다채널 전정기는 몇 가지 해결해야 할 과제를 안고 있는데, 첫째로 전류(electrical current)의 특성상 목표로 설정된 전정신경을 넘어 인근의 신경에까지 신호가 전달되어 잘못된(misaligned) 전정안 반사를 유도하는 경우가 있으며, 이러한 문제는 인공와우에 사용된 전극에서도 지속적으로 지적되어 왔다.^15,16) 둘째로 비대칭적인 과 억제반응을 들 수 있는데, 실제 정상적인 전정안 반사에서도 어느 정도 비대칭적인 흥분과 억제반응을 보이며 이는 전정기관이 흥분할 때 안정상태에 비해 4배 정도 신경작용이 활성화하는데 반해 억제시에는 신경의 활성화 정도가 0에 가까운 것을 알 수 있다.¹⁷⁾ 전류를 이용한 전정기의 자극시 어느 정도 정상과 유사하게 전정신경의 흥분을 유도할 수 있음에 반해, 전정신경의 억제를 위해 전류를 전혀 주지 않는다고 하더라도 포유류에는 잘 알려진 바와 같이 기본적인 신경반응(resting firing rate, 50~100 cycles/sec)이 존재하므로^18,19) 정상적인 전정안 반사에서와 같이 0에 가까운 억제반응을 일으키지 못한다. 더욱이 일측성 인공전정기의 사용에 있어서 전정반응의 억제를 위해 일측의 전류자극을 하지 않는 경우에도 양측에서 거의 비슷한 정도의 기본적인 신경반응이 존재함으로 비대칭적인 전정반응을 기대하기 어렵다.^9,20)
이러한 두 가지 제한점, 전류방사와 흥분-억제 비대칭은 머리의 회전에 있어서 억제작용이 정확하게 일어나는 것을 방해하며 결과적으로 효과적인 다채널 전정기의 임상적 적용을 어렵게 한다. 현재는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 여러 가지 방식으로 연구가 진행되고 있다.

다채널 전정기의 문제점을 해결하기 위한 노력들

앞서 언급했듯이, 일측의 다채널 전정기의 이식으로는 정상과 유사한 전정안 반사의 흥분-억제를 기대하기 힘들며, 이의 해결을 위해서 양측 다채널 전정기의 이식이 제안되었다.²¹⁾ 그러나 이러한 양측 다채널 전정기의 이식은 아직도 일측 다채널 전정기의 임상이 진행되지 않은 상태에서 섣불리 언급하기는 어려우며, 가격적인 면과 수술시 양측의 와우 손상으로 인한 청력소실을 감안할 때 앞으로 해결해야 할 과제라고 생각한다. 따라서, 현재 일측성 다채널 전정기를 이용한 연구가 진행되고 있으며 먼저 전정 일차 구심신경(afferent nerve)의 평균보다 높은 기본 진동(baseline pulse rate)을 이용하는 것으로 증가된 기본 진동은 확장된 흥분과 억제의 영역을 보이며 Fig. 3에서와 같이 다채널 전정기의 기본 진동을 올릴수록 흥분과 억제시의 대칭성이 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나, 한편으로는 기본 진동을 올릴수록 흥분시의 반응이 저하되어 원하는 만큼의 전정안 반사를 얻을 수 없는 단점 역시 보고되고 있다.^22,23) 따라서 최근에는 기본 진동과 기본 전류량(pulse current amplitude)을 동시에 조절하여 증가된 억제 못지 않게 높은 흥분 반응을 유도하는 소위 co-modulation technique이 연구되고 있다.²⁴⁾
또한 적절한 전정재활 훈련이 일측성 전정소실의 치료에 도움이 된다고 알려져 있으며 특히 일측성 전정소실을 일으킨 rhesus 원숭이를 전정소실된 방향으로 시각적인 자극을 주면서 장시간 회전운동을 하여 훈련시켰을 때 전정소실이 된 방향으로 자극을 주더라도 전정안 반사가 일어남을 관찰할 수 있었으며,²⁵⁾ 이를 응용하면 양측성 전정소실 환자에서 다채널 전정기의 일측성 착용만으로도 비슷한 결과를 예상할 수 있을 것으로 기대한다.
그 밖에 기존의 기기가 사용하는 교류 대신 직류 전류를 이용하는 방법,²⁶⁾ 전기적 신호가 주변으로 퍼지는 현상을 막고 선택적인 부위의 자극을 위해 적외선 레이저(infrared laser stimulation)를 이용하여 전정기관의 유모세포 또는 나선 신경절(spiral ganglion)을 자극하는 방법²⁷⁾ 등이 연구되고 있다.

다채널 전정기의 미래

하드웨어와 소프트웨어의 개발 등 각종 기술들의 비약적인 발전으로 정상적인 전정생리 현상에 근접한 다채널 전정기의 개발이 급속화되고 있으며 영장류를 포함한 각종 실험동물에서 이미 충분히 전정반사의 회복과 안정성이 검증되었다. 그러나 다채널 전정기를 실제 환자에게 적용하기에 앞서 회로설계의 소형화, 자극 패러다임의 최적화, 자극과 반응평가 시스템의 집적화, 전류소모량의 감소, 그리고 외부 충전장치의 부착 없이도 끊임없이 충전되는 시스템, 예를 들어 Wi-Fi 등을 이용한 무선 충전의 개발이 더욱 진행되어야 할 것이다.¹³⁾

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