11. 일사천리.. 그러나...
실험실에서는 학생들이 1-2 주일에 1회 정도 교수앞에서
세미나 발표를 한다. 이때 자신이 한 연구결과를 보고해야 하는데
학생들의 성향에 따라 세미나 발표형태가 많이 다르다. 어떤 놈은
바늘 만한 것을 과대포장해서 발표하기도 하고 ...(싸가지 없는 놈!).
어떤 학생은 고민의 흔적이 있는 멋있는 것을 발표하기도 하고...다양하다.
다음은 그 당시의 나의 보고서들이다. 2-3가지의 뇌 실험 결과들은
숨겼다.
보고서- (1) 1993년 2월
Magnetic Nerve Stimulator의 제작 및 실험결과
엄밀하게 말하면 Magnetic이 아니고 Electromagnetic Induction Nerve
Stimulator 이다. 신경 자극에 이용하는 것은 시간적으로 급격히 변하는
자기장에서 발생하는 유도 기전력이기 때문이다.
1) High-Voltage Power Supply : Voltage-Multiplier로 구성하였다. 입력 교류전압의 6배의 직류전압이 출력된다. 입력가능한 최고 P-P Voltage 는 500 Volt이다.
2) Capacitor : 전해 컨덴서로 구성되어있고 내압 2000V,용량 440 F인 부분과 내압 1200V,용량 700 F의 두 부분으로 구성되어있다. 필요에 따라 재구성이 가능하다.
3) SCR : 이는 Capacitor에 충전되어 있는 전기를 자극코일에 급속방전하기위해서 사용된다. 대용량의 SCR과 Trigger-Circuit으로 구성된다.
4) Stimulator Coil : 간단한 Solenoid 형태의 코일이다. Self Inductance가
30 H-1000 H 정도가 적절하다. 30 H 보다 작을때는 신경 반응이 잘
안되는듯하다.
대상신경은 손바닥에 있는 손가락을 오무리는 근육이었다. 이들 두 근육은 서로 겹쳐져 있기 때문에 흥분 가능성이 크기 때문에 선택되었다.
실험은 42H인 코일에 720V로 충전된 Capacitor(440 F)로 부터 방전시키며 대상근육을 관찰하는 것이었다. 자극이 가해지는 순간 근육이 수축된다. 손가락 말단으로 전기 쇼크 같은 것도 느껴진다.
두명의 지원자에 대해서도 역시 똑같은 결과가 얻어졌다.
(얘들은 둘다 대학후배. 지원이라기보다 사실은 강제)
개선할 점
1)충전시간이 5분으로 너무 길다는 것이 큰 단점이다. 이는 전원이 전압원으로 작용하지 못하기 때문이다. 1초 이내에 충전이 끝이 나야 한다.
2)자극코일에서 발생하는 pulse 의 수를 늘려야한다. 지금의 장치는
일발펄스만이 발생하는데 인체에서 근육의 수축정도나 빛의 밝기정도는
펄스의 빈도에 의존함을 고려해볼때 펄스빈도를 크게해야함은 당연한것이다.
일단은 전해 컨덴서를 무극성으로 바꾸는 것만으로도 어느정도 실현가능하다.
차후연구방향
1) 먼저 해야할 것은 본 장치가 신경섬유의 Na-gate를 어떻게 open 시키는가에 대한 Mechanism 분석이 선행되어야 한다. 아직까지도 생물학에서 gate에 대한 명확한 분석이 이루어지지 못했고 몇 가지의 모델들이 제시되어 있지만 그 중에서 가장 널리 받아들여지는 모델로서도 일단은 설명이 가능하다.
2) 다음은 펄스빈도와 인식의 상관관계를 조사해봐야 한다. 특히 시각에
집중하여 분석한다. 이때 정량적인 값이 필요하다.
보고 - (2) 1993년 3월
새로운 신경 자극기에 대한 연구
현재의 Magnetic Nerve Stimulator는 제어하기가 너무 불편하다.
특히 자극기의 배열 등을 형성하기에는 비 실용적이다. 따라서 새로운
방식으로 자극하는 방법의 개발은 필수적이다.
먼저 가능성이 있는 것은 지금의 장치처럼 유도기전력을 이용하면서
그 방식을 바꾸는 것이고...,
전혀 새로운 방법으로는 머리 속에 있는 미소 자석을 자극하는 방식이
있을 수 있다. 그 중의 하나가 Magnetosome-Stimulator 이다. 이는
아직까지는 확인되지는 않고 있지만 Magnetosome의 존재를 가정한
것이다.
이 방식은 다른 어떤 방식보다도 뛰어난 방법이 될 것이다. 여기에
대한 연구 방법은 Magnetosome이 있다는 가정하에 그것을 자극시킬
수 있는 방법을 찾아가는 것이다. 여기서 중요한 것은 가정을 세울
때 여러 가지의 다른 가능성들을 생각하여 그것에 따른 여러 가지의
다른 자극 방식을 고려해야 한다는 점이다.
한번의 상상이 맞다는 보장이 없기 대문이다. 그리고 여러 가지의
자극기를 제작한 후에 각각에 대한 실험을 여러 실험 변수들을 바꿔가면서
해보아야 한다.
| 참고: 사람의 뇌 속에서 자석이 발견된 것은 극히 최근의 일이다.
생체 자기장 분야에서 예전부터 많은 연구를 해오고 있는 미국의 '커슈빙크'라는 교수가 1992년도에 사체의 뇌를 재료로 한 실험에서 뇌속에서 수많은 자철광을 발견했다는 보고가 있었다. 허나 이는 워낙 새로운 발견이라 잘 받아들여지지 않고 있다. 아직까지도 이 사람 외에는 다른 실험 보고가 없는 것 같다. 또한 추가적으로 이 조그만 자석들은 시냅스에 많은 칼슘 gate에 연동되어 있을 가설을 세우고 있다. 그러면 외부 자기장에 의해 칼슘gate가 활동하게 되고 이는 뇌종양을 유발 할 수 있다는 것이 일부 과학자의 주장.이다. 그러나, 이는 뉴런의 흥분을 유도할 수 있다는 것이 ...나의 주장. (실험 확인은 못해봤음) 한편 '커슈빙크' 연구 중에서 대표적인 것은 "집 찾는 비둘기"실험인데, 비둘기들이 자구자기장을 이용하여 집을 찾아간다는 것을 뒷받침하는 실험이다. 또한 자기장 감지는 뇌에서 이뤄진다고 주장한다. 오래전에 비둘기 머리에 조그만 전자석을 부착하여 지구자기장을 교란시키면 비둘기들이 집을 찾아오지 못함을 보인 실험이 그 것이다. (이건 정설로 받아들여 진다.) 이 실험 후에 '커슈빙크'는 뇌속에 아마 자석이 있지 않나 하는 의문이 생긴것 같고 이를 1992년도에 확인하는 실험을 한 것 같다. |
보고 - (3) 1993년 3월
Temporal Summation Magnetic Nerve Stimulator
(가능성의 제시)
순간 방전식 신경 자극기는 한번의 자극으로 Na-gate open을 유도하려 하기 때문에 매우 큰 전기장이 필요하게 되어 Capacitor에 의한 방전 방식을 택한 것이다. 그러나 Na-gate는 반드시 한번의 자극으로만 열어야되는 것은 아니다. 전기장의 세기가 신경섬유의 역치를 넘지 못해도 그 자극 횟수를 크게 하면 문이 열리게 된다. 즉,문을 여는데 있어서 중요한 것은 적절한 시간내의 Impulse의 크기인 것이다.(이때의 Impulse는 물리학에서의 F*dt로 정의되는 양)
여기서 적절한 시간이란 것은 신경 Impulse 의 시간 폭을 말한다.
그 시간 폭이 수십 밀리 초 정도이므로 자극코일에 가해지는 전압이
수 Mega Hz정도이면 신경 임펄스 시간 폭 내에 천번 정도의 자극이
가해지므로 One-Shot 방식에서 필요했던 전기장의 세기보다 천배정도
작은 전기장으로도 Na-gate open 이 가능해진다.
One-Shot 방식에서 필요했던 자기장의 시간 변화율이 15000 T/s 였는데
반해, 이 방법에서는 15 T/s로도 충분하게된다. 이것은 매우 유용한
방식이 될 것이다.
그런데 여기서 문제가 되는 것은 주기적으로 변하는 전압을 단순한 코일에 가할때 발생하는 전기장은 그 방향이 음과 양을 반복하여 시간 평균하면 영이 된다는 것이다.
짝-코일을 만들다.
그러나 다행히도 이 문제는 쉽게 해결하였다. 새로이 고안한 코일의 이름을 "짝-코일"(Zack-coil)이라 이름 붙였다. 짝코일을 사용하면 나타나는 전기장의 방향은 한 방향으로 고정된다.
이렇게 개량된 방식을 이용했을 때 가장 유용한 점은 두 가지가 있다.
1) 신경에 구체적인 정보를 보낼 수 있게 되는 점이다.
단일 뉴런에서의 정보란 발화율이 전부이므로 자극기에서 신경자극빈도만 조절할 수 있으면 원하는 모든 정보를 뉴런에 보낼 수 있게 된다.
새로운 방식에서는 진폭 변조방식에 의해 간단히 실현된다.
위에서 말한 발화율의 제어성과 분해능의 향상은 신경연구 수준에서는(특히 생체의 대뇌피질의 연구)충분한 기능을 제공해준다. 그러나 인공시각 장치에서는 충분하지 못한데, 그것은 Focusing 방법에 문제가 있기 때문이다.
Time Delay Focusing 이나 Phase Focusing 방용하면 마치 모니터의 주사방식처럼 시각피질을 자극해야 하고 한 개의 화소를 자극하는데 요하는 시간은 정보의 표현을 생각해 볼 때 최소한 신경 임펄스 시간폭의 10 배의 시간정도가 된다. 대략 100ms 정도로 보고 총 화소 갯수를 1000 이라고 해도 한화면을 그리는 시간은 2분 정도가 소요된다. 이러한 방식으로는 인공시각이 구현되지 않는다는 결론이다.
인공 시각을 위해서는 다른 방식이 필요하다!
최종 수정일 1996년 12월 21일 배병훈 한국과학기술원 물리학과 뇌 과학 연구실
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