이 '생체공학 코'로 코로나19 생존자들은 다시 '장미 냄새'를 맡을 기회를 갖게 된다.

2012년 어느 일요일, 스캇 무어헤드는 6살 아들에게 스케이트보드를 가르치던 중 땅에 쓰러졌습니다. “내 두개골 뒤쪽이 가장 큰 타격을 입었습니다.”라고 그는 말했습니다. 그는 중환자실에서 3일을 보냈고 그곳에서 의사들은 여러 두개골 골절, 대량 내부 출혈, 뇌 전두엽 손상을 치료했습니다.

몇 주, 몇 달 후에 무어헤드의 청력은 회복되었고 두통도 사라졌으며 과민성과 혼란도 사라졌지만 후각은 결코 회복되지 않았습니다.

사고로 무어헤드의 코에서 뇌 기저에 있는 후각구까지의 신경이 영구적으로 절단되었습니다. 그는 후각 외에도 기본적인 미각도 상실했습니다. "맛은 주로 냄새에서 비롯됩니다"라고 그는 설명합니다. "내 혀는 단맛, 짠맛, ​​매운맛, 쓴맛만 인식할 수 있습니다. 눈을 가린 채 10가지 맛의 아이스크림을 내 앞에 놓아도 그 차이를 알 수 없습니다. 초콜릿은 약간 달다는 점만 빼면 모두 약간 달콤한 맛이 납니다. 씁쓸합니다.”

무어헤드는 이로 인해 몹시 괴로워했습니다. 음식의 맛 외에도 그는 사랑하는 사람의 독특한 냄새도 그리워했습니다. 한번은 그는 가스 누출을 알아차리지 못하고 아내가 집에 와서 경찰에 신고할 때까지 위험을 깨닫지 못했습니다.

무어헤드의 통증은 독특하지 않습니다. 후각 상실은 머리 부상뿐만 아니라 특정 독소에 대한 노출과 종양, 알츠하이머병, 코로나19와 같은 바이러스성 질병을 포함한 다양한 의학적 문제로 인해 발생할 수 있습니다. 후각은 일반적으로 나이가 들수록 감소합니다. 1,200명 이상의 성인을 대상으로 후각 테스트를 실시한 2012년 연구에서 80세 이상 참가자 중 39%가 후각 장애를 겪었습니다.

후각과 미각 상실은 전염병이 시작된 이래로 코로나19의 주요 증상이었습니다. 코로나로 인한 후각상실증을 앓고 있는 사람들에게는 현재 세 가지 선택권이 있습니다. 느낌이 저절로 회복되는지 기다려보고 염증을 줄이고 잠재적으로 회복 속도를 높이기 위해 스테로이드 약물을 요청하거나 재검사를 시작하는 것입니다. 매일 익숙한 냄새를 맡는 것입니다. 코뇌신경의 회복을 촉진합니다. 일반적으로 환자가 치료를 받고 증상이 나타난 후 몇 주 이내에 회복되면 약물 치료가 효과적입니다. 그러나 그럼에도 불구하고 이러한 개입이 모든 사람에게 효과가 있는 것은 아닙니다.

2020년 4월, VCU 냄새 및 미각 클리닉의 연구원들은 냄새 관련 증상의 유병률과 지속 기간을 확인하기 위해 코로나19 진단을 받은 성인을 대상으로 전국적인 설문조사를 시작했습니다. 그들은 정기적으로 이 사람들을 추적했고, 지난 8월에는 최초 진단 후 2년이 지난 사람들의 결과를 발표했습니다. 결과는 충격적이었습니다. 38%는 후각과 미각이 완전히 회복되었다고 보고했고, 54%는 부분 회복을 보고했으며, 7.5%는 전혀 회복되지 않았다고 보고했습니다. VCU 클리닉 디렉터인 Evan Reiter는 "이것은 심각한 삶의 질 문제입니다."라고 말했습니다.

후각 재생

많은 연구자들이 줄기 세포를 사용하여 후각 수용체와 신경을 재생하는 등 생물학적 방법을 연구하는 동안 Richard Costanzo는 하드웨어 임플란트가 후각을 완전히 상실한 사람들을 위한 유일한 솔루션이라고 믿습니다. "이러한 경로를 실제로 사용할 수 없게 되면 기술로 대체해야 합니다"라고 그는 말했습니다.

생리학 및 생물물리학 명예 교수인 코스탄조(Costanzo)는 1980년대에 VCU의 후각 및 미각 장애 센터를 설립했는데, 이는 국내 최초의 클리닉 중 하나입니다. 그는 수년간 냄새 손실을 연구하고 생물학적 재생 가능성을 조사한 후 1990년대에 하드웨어 솔루션 작업을 시작했습니다.

그는 전자 코 센서가 인공와우에서 가져온 일련의 작은 전극에 신호를 전송하는 후각을 위한 신경 보철물인 전자 코 프로토타입을 개발했습니다. 청력 상실이 있는 사람들의 경우, 임플란트는 소리에 대한 정보를 내이와 뇌에 공급할 수 있습니다. 임플란트는 또한 뇌 가장자리의 후각 구근에 맞도록 크기가 조정되었습니다. 그렇다면 냄새에 대한 정보를 전달하는 데에도 사용될 수 있을까요?

후각 상실증을 앓고 있는 대부분의 사람들과 달리 무어헤드는 의사가 후각을 회복할 방법이 없다고 말했을 때 포기하지 않았습니다. 43개 주에 매장을 두고 있는 휴대전화 소매업체의 CEO인 그는 장기적인 연구에 투자할 수 있는 자원을 보유하고 있습니다. 동료가 그에게 VCU에서의 일에 대해 말했을 때 그는 연락하여 연구 보조금을 제안했습니다. 2015년부터 Moorehead는 연구에 거의 100만 달러를 투자했습니다. 그는 또한 VCU로부터 기술 라이선스를 받아 감각 복원 기술(Sensory Restoration Technologies)이라는 스타트업을 시작했습니다.

COVID가 발생했을 때 Moorehead는 기회를 보았습니다. 홍보할 제품을 출시하기는 아직 멀었음에도 불구하고, 그는 스타트업을 위한 웹사이트를 빠르게 구축했습니다. 그는 "사람들은 후각을 잃어가고 있습니다. 사람들은 우리가 존재한다는 것을 알아야 합니다!"

후각이 작동하는 방식

후각뿐만 아니라 다음과 같은 다른 감각에도 동등한 신경보철물이 있습니다. 듣기.

달팽이관 임플란트는 현재까지 가장 성공적인 신경 기술로, 전 세계적으로 700,000개 이상의 장치가 귀에 이식되었습니다. 한편, 이미 시각장애인을 위한 망막 임플란트를 개발하는 연구기관이 있지만 후각과 미각은 어려운 과제로 여겨져 왔다.

이유를 이해하려면 먼저 인간 후각 시스템의 놀라운 복잡성을 이해해야 합니다. 장미 향기가 콧속으로 퍼지면 냄새 분자가 수용체 뉴런에 결합하여 후각 신경에 전기 신호를 보냅니다. 이 신경은 뼈판을 통해 전뇌의 작은 신경 구조인 후각 망울로 이동합니다. 거기에서 정보는 감정적 반응을 제어하는 ​​뇌의 부분인 편도체로 전달됩니다. 기억과 관련된 구조인 해마와 인지 처리를 담당하는 전두엽.

코로 들어가는 냄새 분자는 후각 수용기 세포에 결합하여 후각판의 뼈를 통해 신호를 후각 구근으로 보냅니다. 거기에서 신호가 뇌로 전송됩니다.

이러한 분기형 신경 연결은 때때로 행복한 추억이나 충격적인 사건을 연상시키는 냄새가 우리를 그토록 강타하는 이유입니다. Coelho는 "후각 시스템은 다른 감각으로는 접근할 수 없는 뇌 부분에 접근할 수 있습니다."라고 Coelho는 말합니다. 또한 뇌 연결의 다양성은 후각 시스템을 자극하는 것이 음식을 감상하거나 가스 누출을 알아차리는 것 외에도 다른 용도로 사용될 수 있음을 시사합니다. 기분, 기억 및 인지에 영향을 미칠 수 있습니다.”

생물학적 시스템은 여러 가지 이유로 복제하기 어렵습니다. 인간의 코에는 냄새 분자를 감지하는 약 400가지 유형의 수용체가 있습니다. 이러한 수용체는 함께 작용하여 인간이 엄청난 수의 냄새를 구별할 수 있게 해줍니다. 2014년 연구에서는 그 수가 1조개로 추산되었습니다. 지금까지 400개의 센서를 칩 위에 올려 사용자의 안경에 부착하는 것은 비현실적이었습니다. 더욱이 연구자들은 뇌가 냄새를 인식하도록 하는 특정 수용체 ​​조합을 자극하는 후각 코드를 아직 완전히 이해하지 못했습니다. 다행스럽게도 Costanzo와 Coelho는 두 가지 문제를 모두 해결할 수 있는 사람을 알고 있었습니다.

전자 코 및 뇌 자극 연구 발전

오늘날 전자 코는 다양한 산업, 사무실 및 주거 환경에서 사용됩니다. 집에 일반적인 일산화탄소 감지기가 있다면 매우 간단한 전자 코가 됩니다.

"전통적인 가스 센서는 금속 산화물과 같은 반도체를 기반으로 합니다"라고 영국 맨체스터 대학의 선도적인 전자 코 연구자이자 화학 감각 교수인 Krishna Persaud는 설명합니다. 그는 Costanzo와 Coelho의 컨설턴트입니다. 가장 일반적인 전자 코 장치에서는 "분자가 반도체 재료와 상호 작용하면 저항이 변하고 이를 측정할 수 있습니다."라고 Persaud는 말했습니다. 마이크로칩의. "이것은 작은 패키지에 매우 편리합니다"라고 그는 말했습니다. VCU 팀의 초기 실험에서는 Figaro라는 일본 회사의 기성 센서를 사용했습니다.

Persaud는 이렇게 시중에서 판매되는 센서의 문제점은 다양한 냄새를 구별할 수 없다는 점이라고 말합니다. 그래서 그는 제조 비용이 저렴하고 전력이 낮으며 수십 가지 냄새에 대한 민감도를 제공하기 위해 어레이로 결합할 수 있는 전도성 폴리머와 같은 새로운 재료를 연구해 왔습니다. 신경보철물의 경우 "원칙적으로 수백 개의 센서가 가능하다"고 Persaud는 말했습니다.

1세대 제품에서는 사용자가 수백 가지의 다양한 향기를 맡을 수 없었습니다. 대신 VCU 팀은 원래 연기, 천연가스 등 안전 관련 냄새와 기분 좋은 냄새에 대한 일부 수용체를 포함하는 것을 구상했습니다. 예를 들어 홈 베이커에게는 빵 냄새, 열정적인 등산객에게는 소나무 숲 냄새 등 사용자에게 의미 있는 향기를 제공하기 위해 보철물을 맞춤화할 수도 있습니다.

이 전자 코 기술과 최신 신경 기술을 결합하는 것은 Costanzo와 Coelho가 현재 직면하고 있는 과제입니다. 그들은 새로운 센서를 테스트하기 위해 Persaud와 협력하는 동시에 뇌에 신호를 보내는 가장 좋은 방법에 대해 보스턴의 임상의와 협력하고 있습니다.

VCU팀은 동물실험을 통해 기반을 다졌습니다. 2016년과 2018년 쥐를 대상으로 한 실험에서 연구팀은 전극을 사용하여 후각 망울 표면의 지점을 직접 자극하면 정보를 뇌의 다른 부분으로 전달하는 망울 깊은 곳의 신경 활동 패턴이 생성된다는 사실을 보여주었습니다. 연구자들은 이러한 패턴을 냄새 지도라고 부릅니다. 그러나 신경 활동은 생쥐가 무언가를 감지하고 있음을 암시했지만 생쥐는 연구원에게 자신이 냄새를 맡고 있는 것이 무엇인지 말할 수 없었습니다.

이비인후과 전문의 Eric Holbrook은 종종 부비강 내 수술이 필요한 환자와 함께 일합니다. 그는 VCU 팀이 예비 임상 시험을 수행하도록 도왔습니다.

그들의 다음 단계는 인간 자원봉사자들과 유사한 실험을 수행할 수 있는 협력자를 모집하는 것입니다. 그들은 코스탄조의 전 학생 중 한 명인 하버드 의과대학 이비인후과 부교수이자 매사추세츠 눈, 귀, 코 책임자인 홀브룩(Holbrook)부터 시작했습니다. Holbrook은 후각 구근에서 후각 수용체를 분리하는 뼈 구조인 체판 아래에 있는 사골강을 포함하여 사람의 부비동을 수술하는 데 대부분의 시간을 보냅니다.

Holbrook은 2018년에 뼈에 전극을 배치하면 후각 구근에 전기 펄스가 전송된다는 사실을 발견했습니다. 깨어 있는 환자를 대상으로 한 실험에서 5명의 지원자 중 3명은 이 자극 동안 "양파", "방부제 및 신맛", "과일향"을 포함한 냄새와 함께 후각 인식을 보고했습니다. 그러나 냄새가 좋지 않습니다. Holbrook은 이 실험을 후각 임플란트 시스템에 대한 좋은 개념 증명으로 보고 있지만 뼈를 통한 열악한 전도성이 중요한 제한 요소라고 말합니다. "우리가 개별적이고 독립적인 자극 영역을 전달하려면 뼈를 통할 수는 없지만 후각 망울 자체에 있어야 합니다."라고 그는 말했습니다.

후각 망울에 전극을 배치하는 것은 새로운 개척지. Coelho는 "이론적으로 거기에 도달하는 방법에는 여러 가지가 있습니다."라고 말했습니다. 외과 의사는 뇌를 통해 아래로 내려가거나 눈구멍을 통해 옆으로 내려가거나 비강을 통해 위로 올라가 체액판을 뚫고 들어갈 수 있습니다. 구근. Coelho는 비강외과 의사들이 얇은판을 파괴하는 위험도가 낮은 수술을 수행하는 경우가 많다고 설명했습니다. "새로운 것은 어떻게 거기에 가거나 나중에 청소하는가가 아니라 문제를 일으키지 않고 이물질을 거기에 보관하는 방법입니다." 뇌 모니터링을 위해 이식된 전극을 사용하여 입원 기간 동안 연구합니다.

또 다른 전략은 후각 망울을 완전히 건너뛰고 대신 후각 망울에서 신호를 수신하는 뇌의 "하류" 부분을 자극하는 것입니다. 이 접근법을 지지하는 사람은 Holbrook의 전 학생이자 매사추세츠 종합병원의 기능적 신경외과 과장인 Mark Richardson입니다. Richardson은 의사가 뇌의 어느 부분이 발작과 관련되어 있는지 확인하고 외과적 치료를 계획할 수 있도록 뇌에 전극을 삽입한 채 며칠 동안 간질 환자를 병원에 입원시키는 경우가 많습니다. 그러나 이러한 환자들은 기다리는 동안 신경과학 연구를 위해 모집되는 경우가 많습니다.

Costanzo와 Coelho의 연구를 촉진하기 위해 Richardson 팀은 모니터링 병동의 간질 환자에게 민트, 생선, 바나나 같은 냄새가 나는 막대기 냄새를 맡도록 요청했습니다. 그들의 뇌에 있는 전극은 "우리가 예상한 영역과 예상하지 못한 영역에서" 신경 활동 패턴을 보여주었다고 Richardson은 말했습니다. 뇌의 반응을 더 잘 이해하기 위해 그의 팀은 후각계라는 도구를 사용하여 또 다른 실험을 시작했습니다. 이 도구는 보다 정확한 시간에 맞춰 냄새를 방출합니다.

연구자들은 페퍼민트 냄새에 반응하여 뇌가 어디에서 활성화되는지 알고 나면 동일한 감각을 생성하기 위해 해당 영역을 개별적으로 전기 자극할 수 있습니다. Richardson은 "현재 기술과 비교할 때 후각 망울 자극보다는 뇌 자극을 통해 [냄새 인식]을 유도하는 데 더 가깝다고 생각합니다."라고 말했습니다. 그는 이미 승인된 뇌 자극용 임플란트가 있으며 그러한 장치를 사용하면 규제 경로가 더 쉬워질 것이라고 말했습니다. 그러나 뇌 내 후각 인식의 분포 특성은 새로운 합병증을 야기합니다. 사용자는 다양한 영역을 자극하기 위해 여러 개의 임플란트가 필요할 수 있습니다. "우리는 빠르게 연속적으로 또는 동시에 다른 사이트를 방문해야 할 수도 있습니다"라고 그는 말했습니다.

Road to Commercialization​

유럽에서는 EU가 ROSE(Restoring OdorDetection and Identification in Odor Deficiency)라는 자체 후각 임플란트 프로젝트에 자금을 지원하고 있습니다. 2021년에 시작되며 유럽의 7개 기관이 참여합니다.

공대 드레스덴 후각 및 미각 클리닉 소장이자 컨소시엄 회원인 Thomas Hummel은 ROSE 연구원들이 냄새 분석용 마이크로센서를 생산하는 프랑스 회사인 Aryballe과 협력하고 있다고 말했습니다. 파트너들은 현재 후각구와 전두엽 피질을 자극하는 실험을 진행하고 있습니다. "장비에 필요한 모든 구성 요소가 이미 거기에 있습니다"라고 그는 말했습니다. "어려움은 이들을 하나로 모으는 것입니다." Hummel은 컨소시엄의 연구가 5~10년 내에 상용 제품으로 이어질 수 있다고 추정합니다. “노력과 자금 조달의 문제입니다.”라고 그는 말했습니다.

전자 코 전문가 Persaud는 신경 보철물이 상업적으로 실행 가능한지 여부에 대해 배심원 단이 아직 결정되지 않았다고 말했습니다. "후각상실증이 있는 일부 사람들은 감각을 회복하기 위해 무엇이든 할 것입니다."라고 그는 말했습니다. "문제는 이 장치에 대한 시장을 창출할 만큼 충분한 사람이 있는지 여부입니다."라고 그는 말했습니다. 왜냐하면 수술 및 임플란트와 관련된 위험이 항상 있기 때문입니다.

VCU 연구원들은 미국 식품의약국(FDA) 규제 당국과 비공식 회의를 갖고 이식형 의료 기기 승인을 위한 초기 단계를 시작했습니다. 그러나 실용적인 문제에 초점을 맞추는 경향이 있는 투자자인 Moorhead는 드림팀이 FDA 승인 상용 시스템의 결승선까지 기술을 사용하지는 않을 것이라고 말했습니다. 그는 인공와우 시장을 장악하고 있는 호주 회사인 Cochlear와 같이 기존의 많은 의료용 임플란트 회사가 이러한 전문 지식을 보유하고 있다고 언급했습니다. 무어헤드는 "[프로젝트]를 회사 중 한 회사에 매력적인 단계로 발전시킬 수 있다면, 내가 그 회사를 위해 어느 정도 위험을 감수할 수 있다면 그것이 최선의 노력이 될 것"이라고 말했습니다.

Costanzo는 사람들의 후각과 미각 능력을 회복하는 것이 궁극적인 목표라고 말했습니다. 하지만 그 전에 그는 그들에게 다른 것을 줄 수도 있었습니다. 그는 종종 자신의 작품을 본 절박한 사람들로부터 전화를 받습니다. Costanzo는 “누군가가 해결책을 연구하고 있다는 사실에 매우 감사하고 있습니다.”라고 말했습니다. "내 목표는 이 사람들에게 희망을 주는 것입니다."

출처:

https://spectrum.ieee.org/covid-smell-prosthetic

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