KR102359871B1

KR102359871B1 - 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR102359871B1
Application number: KR1020207008067A
Authority: KR
Inventors: 씨아오핑 리; 치엔 씨아; 제시카 리; 조애나 르 씨 리
Original assignee: 씨아오핑 리; 치엔 씨아; 제시카 리; 조애나 르 씨 리
Priority date: 2017-08-26
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2022-02-09
Also published as: US11445959B2; KR102446447B1; JP7002096B2; US20190060658A1; US20190059760A1; EP3518749A4; KR20200044049A; US11395617B2; JP2020533052A; CN110831491A; KR20200044063A; JP2020532375A; EP3515554A4; EP3518749A1; CN110869084A; JP6950901B2; WO2019042264A1; WO2019042265A1; EP3515554A1

Abstract

본 출원은 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법 및 장치를 제공하며, 상기 방법은, 변하는 전자기장을 생성하고, 생성된 상기 전자기장의 근거리장을 목표 뇌 기능 부위에 작용시키는 단계(S701); 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경을 감지하는 단계(S702); 및 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경의 변동 빈도를 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도로 결정하는 단계(S703)를 포함한다.

Description

뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법 및 장치

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 35 U.S.C.§119(e)에 따라, 2017년 8월 26일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/550,596호 및 2017년 10월 29일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/578,463호의 우선권을 주장하며, 상기 출원들의 전체 내용이 인용되어 본 명세서에 포함된다.

본 출원은 일반적으로 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 뇌를 둘러싸는 전자기장을 생성하여 뇌의 뉴런 기능 부위와의 장 상호작용을 감지함으로써 뉴런 발화 빈도에 따른 뇌 내의 활동을 감지한다.

뇌는, 집결되어 복수의 뇌 기능 부위를 구성하는 뉴런에 의해 형성된다. 각 기능 부위는 뇌에서 특정 기능을 수행하며, 해당 기능은, 뇌에서의 활동으로 나타나는, 뇌 기능 부위의 뉴런 발화 빈도와 특징적으로 관련되어 있다. 뇌 기능 부위 각각에서 뉴런은 칼슘, 칼륨 및 염화물과 같은 하전 입자가 포함된 세포외액으로 둘러싸여 있다. 각 뉴런의 반투과성막 상에는, 하전 입자가 뉴런 내외로 유입 또는 유출되도록 게이트를 갖는다. 하전 입자가 확산을 통해 뉴런의 반투과성막 내로 유입되고 축적되어 막 전위가 임계값에 이르도록 형성(즉, 뉴런의 분극)되며, 이때 막이 자극받으면, 막 상의 게이트가 개방되어 모든 하전 입자가 막 밖으로 유출되며(즉, 뉴런의 탈분극), 이로써 뉴런의 분극-탈분극 순환을 형성한다. 탈분극이 끝나면, 뉴런의 다른 한 순환의 분극이 시작되어 그 다음의 탈분극을 향해 진행되며, 이와 같이 반복됨으로써, 뇌 기능 부위의 기능적 상태를 특징으로 하는 발화 빈도로 뉴런의 발화 순환을 형성한다. 예를 들어, 통증 지각을 위한 뇌 기능 부위, 예를 들어 전방대상피질(ACC)에서의 발화 빈도는 통증에 대한 뇌의 지각과 직접 관련된다. ACC의 발화 빈도가 특정 값보다 낮은 경우, 뇌에 통증 지각이 없다. ACC에서의 발화 빈도가 임계 값보다 높은 경우, 뇌에서 통증 지각이 시작되고, 발화 빈도가 증가함에 따라 통증 지각이 더 강해진다.

세포외액 내에서 뉴런이 주기적으로 분극 및 탈분극됨에 따라, 뉴런을 둘러싸는 세포외액 내의 하전 입자가 뉴런 내외로 유입 또는 유출될 때, 세포외액 내의 하전 입자의 농도가 그에 따라 변한다. 즉, 유전 물질로서의 세포외액의 유전율은 세포외액 내에서의 뉴런의 분극 및 탈분극 순환(즉, 발화 순환)에 따라 주기적으로 변하며, 뇌 기능 부위의 뉴런이 기능 부위에서 동시에 기능을 수행하므로, 뉴런의 발화 빈도가 동기화되고, 뉴런을 둘러싸는 세포외액의 유전율의 변동 빈도는 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 따른다. 따라서, 뉴런을 둘러싸는 세포외액의 유전율의 변동 빈도를 측정함으로써, 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도가 측정 가능하다.
본 발명에 대한 추가의 배경기술은 다음의 선행기술문헌으로부터 얻을 수 있다.

미국 특허출원공개공보 US2016/0278687호(2016.09.29.)

본 발명의 일 양태에 있어서, 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하기 위해, 뇌 근처에 배치된 안테나를 통해 교번 및 펄스 전자기장을 포함하는 변하는 전자기장을 생성하여, 생성된 전자기장의 근거리장 내에 뇌의 목표 기능 부위가 위치되도록 한다.

특히, 변하는 전자기장을 생성하여, 생성된 상기 전자기장의 근거리장을 목표 뇌 기능 부위에 작용시키는 단계;

상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경을 감지하는 단계; 및

상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경의 변동 빈도를 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도로 결정하는 단계를 포함하는, 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법이 제공된다.

여기서, 상기 근거리장은 상기 전자기장을 생성한 안테나와 상기 전자기장 사이의 거리 d, 상기 안테나의 최대 크기 D 및 진공에서의 상기 전자기장의 파장 λ에 의해 하기와 같은 관계식으로 정의된다:

.

예를 들어, 뇌의 수면 촉진 영역인 복외측시각교차전핵(VLPO)을 선택적으로 감지하는 경우, VLPO의 크기가 약 1cm이고, 진공에서의 파장이 6cm인 전자기장이 뇌에서 1cm 파장을 갖는다고 가정하면, 1cm 파장이 VLPO의 크기와 일치하여 높은 변조 효율을 얻게 된다. 이 경우, 전자기장의 파장 λ는 6cm이므로 전자기장의 주파수는 5GHz이며, 안테나의 최대 크기 D가 18cm이면,

= 19.3 cm.

즉, 안테나와 근거리장 사이의 최대 거리는19.3cm이다. 여기서, 크기 D의 값은 거리 d의 값과 관련되며, 당업자는 목표 뇌 기능 부위에 적절하게 작용되도록 D 및 d의 값을 적절히 상관적으로 조정하는 것을 알 수 있다.

안테나 내의 전류 및 전하의 강한 유도성 및 용량성 효과를 통해, 생성된 전자기장의 근거리장은, 뇌의 뉴런 그룹에 의해 형성된 뉴런 클러스터가 2 차 안테나로서 작용하도록 유도함으로써, 뇌에서 전기장을 유도하여, 목표 뇌 기능 부위의 세포외액을 분극시킨다. 근거리장에 의한 목표 뇌 기능 부위의 세포외액에 대한 분극으로 인해, 세포외액의 분극 밀도 형성 과정에서 전자기장의 전력이 목표 뇌 기능 부위의 세포외액에 의해 흡수되어, 근거리장을 포함하는 전자기장의 파의 위상과 진폭이 변경되되, 그 변경 수준은 세포외액의 분극 밀도 수준에 따르며, 해당 분극 밀도 수준은 세포외액 내의 하전 입자의 농도에 따라 달라진다. 한편, 뇌 기능 부위의 세포외액 내의 뉴런은 특정 빈도로 발화함으로써, 세포외액 내의 하전 입자 농도를 뉴런 발화 빈도로 변화시키며, 이로써 세포외액의 분극 밀도를 뉴런 발화 빈도로 변화시키므로, 근거리장을 포함하는 전자기장의 파의 위상 및 진폭 변경이, 생성된 전자기장에 비해 뉴런 발화 빈도로 변동하도록 한다.

본 발명에서, 목표 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도는, 해당 뇌 기능 부위를 둘러싸고 해당 뇌 기능 부위의 세포외액을 분극시키는 근거리장을 갖도록 생성된 변하는 전자기장을 이용하여 해당 뇌 기능 부위에서의 세포외액의 분극 밀도 변화와 관련된 전자기장 변경의 변동 빈도를 측정함으로써 능동적으로 감지되되, 세포외액의 분극 밀도는 전자기장에 의해 유도되고 해당 뇌 기능 부위의 뉴런의 발화에 의해 세포외액 내의 하전 입자의 농도 변화를 통해 변화된다. 목표 뇌 기능 부위의 상태 또는 특성과 관련하여 감지된 빈도의 미리 정해진 캘리브레이션을 사용함으로써, 목표 뇌 기능 부위에서의 기능적 활동이 감지된다. 본 발명의 방법에서, 생성된 전자기장이 진공에서 갖는 주파수는 300MHz 내지 150GHz의 범위에 있으며, 가장 바람직하게는 생성된 전자기장이 뇌에서 갖는 파장이 목표 뇌 기능 부위의 크기와 일치하도록 한다. 뇌 기능 부위에서의 세포외액의 분극 밀도의 변화와 관련된 전자기장 변경의 변동 주파수에 대한 측정은 해당 뇌 기능 부위에서의 세포외액의 분극 밀도의 변화와 관련된, 감지된 전자기장의 위상 변경(생성된 전자기장에 상대적)을 측정하는 것 및/또는 해당 뇌 기능 부위에서의 세포외액의 분극 밀도의 변화와 관련된, 감지된 전자기장의 진폭 변경(생성된 전자기장에 상대적)을 측정하는 것을 포함한다. 이어서, 이러한 변경의 빈도를 계산할 수 있다.

바람직하게는, 진공에서의 상기 전자기장의 주파수는, 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장의 파장이 상기 목표 뇌 기능 부위의 크기와 일치하도록 한다.

상기 전자기장의 파형은 교번 파형 또는 펄스 파형일 수 있거나, 상기 전자기장의 전력은 미리 설정된 변조 주파수로 변한다.

상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경은 위상 변경일 수 있으며, 상기 목표 뇌 기능 부위의 감지된 상기 전자기장의 위상을 생성된 상기 전자기장의 위상과 비교함으로써 결정되거나, 또는

상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경은 진폭 변경이며, 상기 목표 뇌 기능 부위의 감지된 상기 전자기장의 진폭을 생성된 상기 전자기장의 진폭과 비교함으로써 결정된다.

상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경은 상기 목표 뇌 기능 부위에 작용되는 상기 전자기장을 생성하는 안테나에 의해, 또는 대안적으로 상기 안테나와 별개인 다른 안테나에 의해 감지될 수 있다.

상기 목표 뇌 기능 부위는 예를 들어 통증 지각을 위한 전방대상피질(ACC)일 수 있으며, 상기 ACC의 확정된 상기 뉴런 발화 빈도, 및 상기 뉴런 발화 빈도와 통증 세기 사이의 캘리브레이션에 따라, 상기 뇌에서의 통증 지각 정도가 결정된다.

상기 목표 뇌 기능 부위는 예를 들어 전전두엽 피질 및 운동 피질을 포함하는, 행동 의도를 위한 뇌 부위일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 장치로서, 신호 생성 모듈, 신호 생성 모듈에 연결된 안테나, 및 컴퓨팅 모듈을 포함하되,

상기 신호 생성 모듈은 변하는 전자기장의 생성을 위해, 변하는 전류 신호를 생성하여 상기 안테나로 전송하도록 구성되되, 상기 전자기장의 근거리장은 목표 뇌 기능 부위에 작용하는 데 사용되며,

상기 안테나는 또한, 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경을 감지하도록 구성되거나, 또는 상기 장치는 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경을 감지하도록 구성된 별도의 안테나를 더 포함하며,

상기 컴퓨팅 모듈은 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 감지된 상기 변경에 기초하여, 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경의 변동 빈도를 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도로 결정하도록 구성되는, 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하기 위한 장치가 제공된다.

상기 근거리장은 상기 전자기장을 생성한 안테나와 상기 전자기장 사이의 거리 d, 상기 안테나의 최대 크기 D 및 진공에서의 상기 전자기장의 파장 λ에 의해 하기와 같은 관계식으로 정의된다:

.

진공에서의 상기 전자기장의 주파수는, 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장의 파장이 상기 목표 뇌 기능 부위의 크기와 일치하도록 한다.

상기 기술적 방안을 이용하여, 목표 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 용이하게 결정할 수 있으며, 따라서 목표 뇌 기능 부위의 상태 또는 특성과 관련된 감지된 빈도의 미리 설정된 캘리브레이션을 참조하여 뇌 활동을 결정할 수 있다 .

당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 방법에 의해 달성되는 이점은 또한 상기 장치에 의해 달성될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 단지 실예로서 설명된다. 이에 도면을 구체적으로 참조함에 있어서, 도시된 세부 사항은 실예로서 본 발명의 실시예를 예시적으로 설명하기 위한 것이라는 점에 유의해야 한다. 이와 관련하여, 첨부 도면을 참조하여 이루어진 설명은 당업자가 본 발명의 실시예를 어떤 식으로 실시하는지를 이해할 수 있도록 한다.
첨부 도면에서:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 뇌 내 뇌 기능 부위의 뉴런 발화 빈도를 변조하는 방법을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 뇌 내 뇌 기능 부위의 뉴런 발화 빈도를 변조하는 장치를 예시적으로 도시한 것으로서, 신호 생성 모듈은 전기 신호, 예를 들어, 진폭이 저주파수로 변조된 전류 신호를 생성하고, 이를 안테나로 송신하여 전자기장이 생성되도록 하되, 그 근거리장이 뇌에 작용하여 뇌가 각성 모두에서 수면 모드로 전환되게 한다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른, 뇌 내 뇌 기능 부위의 뉴런 발화 빈도를 변조하는 장치를 예시적으로 도시한 것으로, 신호 생성 모듈은 일련의 전기 신호, 예를 들어 진폭이 저주파수로 변조된 전류 신호를 생성하고, 이를 안테나로 송신하여 전자기장이 생성되도록 하되, 그 근거리장이 뇌에 작용하여, 알츠하이머병을 치료하고 예방하는 목적으로, 뇌가 뇌 내에 축적된 노폐물을 청소하고 뉴런 주위의 과잉 단백질에 대한 소비를 완료하는 과정을 촉진한다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른, 뇌 내 뇌 기능 부위의 뉴런 발화 빈도를 변조하는 장치를 예시적으로 도시한 것으로서, 신호 생성 모듈은 전기 신호, 예를 들어, 진폭이 저주파수로 변조된 전류 신호를 생성하고, 이를 안테나로 송신하여 전자기장이 생성되도록 하되, 그 근거리장이 뇌에 작용하여 뇌를 변조함으로써 뇌전증을 치료한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른, 뇌 내 뇌 기능 부위의 뉴런 발화 빈도를 변조하는 장치를 예시적으로 도시한 것으로서, 신호 생성 모듈은 전기 신호, 예를 들어, 진폭이 저주파수로 변조된 전류 신호를 생성하고, 이를 안테나로 송신하여 전자기장이 생성되도록 하되, 그 근거리장이, 뇌 내 세로토닌의 방출을 담당하는, SCG를 포함하는 뇌 기능 부위에 작용하여 뇌를 변조함으로써 우울증을 치료한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른, 뇌 내 뇌 기능 부위의 뉴런 발화 빈도를 변조하는 장치를 예시적으로 도시한 것으로서, 신호 생성 모듈은 전기 신호, 예를 들어, 진폭이 저주파수로 변조된 전류 신호를 생성하고, 이를 안테나로 송신하여 전자기장이 생성되도록 하되, 그 근거리장이, 학습 및 기억을 담당하는, 전두엽 및 측두엽을 포함하는 뇌 기능 부위에 작용하여 뇌의 학습 및 기억을 촉진한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법을 나타내는 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서, 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 감지하기 위해, 근거리장이 뇌의 기능 부위에 작용되는 변하는 전자기장이 생성되고, 다른 한 안테나가, 생성된 후 뇌 기능 부위를 통과한 전자기장을 수신하고, 수신된 전자기장을 원래 생성된 전자기장과 비교하여, 이들 두 전자기장 사이의 변경의 변동 주파수를 결정함으로써, 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 결정하도록 구성된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예로서, 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 감지하기 위해, 근거리장이 뇌의 기능 부위에 작용되는 변하는 전자기장이 생성되고, 동일한 안테나를 이용하여, 생성된 전자기장이 뇌 기능 부위에 유도한 전기장이 감지되고, 감지된 전자기장이 원래 생성된 전자기장과 비교되어, 이들 사이의 변경의 변동 주파수가 결정됨으로써, 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도가 결정된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예로서, 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 감지하기 위해, 근거리장이 통증 지각을 위한 뇌 기능 부위, 즉 ACC에 작용되는 변하는 전자기장이 생성되고, 다른 한 안테나가, 생성된 후 뇌 기능 부위를 통과한 전자기장을 수신하고, 수신된 전자기장을 원래 생성된 전자기장과 비교하여, 이들 두 전자기장 사이의 변경의 변동 주파수를 결정함으로써, 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 결정하도록 구성된다.
도 11은 본 발명의 일 실시예로서, 뇌 기능 부위에서의 행동 의도와 관련된 뉴런 발화 빈도를 감지하여 뇌-컴퓨터 인터페이스에 사용하기 위해, 근거리장이 뇌 기능 부위, 즉 전전두엽 피질 및 운동 피질에 작용되는 변하는 전자기장이 생성되고, 다른 한 안테나가, 상기 뇌 기능 부위에서의 전자기장을 수신하고, 수신된 전자기장에 따라 전기 신호를 생성하고 생성된 전기 신호를 컴퓨팅 모듈에 송신하도록 구성되되, 상기 컴퓨팅 모듈이 원래 전자기장의 생성에 사용된 전기 신호와 뇌 기능 부위에서의 수신된 전자기장의 신호를 비교하여, 이들 두 전자기장 사이의 변경의 변동 주파수를 결정함으로써, 상기 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 결정하고 이어서 감지된 뉴런 발화 빈도를 파싱하여 뇌-컴퓨터 인터페이스에 사용한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일부 실시예를 설명한다.

뉴런 발화 빈도에 대한 변조

본 발명에 대한 이해를 돕기 위해, 우선 도 1 내지 도 6을 참조하여 뉴런 발화 빈도에 대한 변조를 설명하면 아래와 같다.

일 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 뇌 내 뇌 기능 부위의 뉴런 발화 빈도를 변조하는 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.

단계 S101: 미리 설정된 변조 주파수로 변화하는 전력을 갖는 전자기장을 생성한다.

단계 S102: 생성된 전자기장을 뇌 근처에 배치하여 목표 뇌 기능 부위가 전자기장의 근거리장 범위 내에 위치되도록 함으로써, 전자기장의 전력을 이용하여 뇌 기능 부위의 세포외액을 분극시켜, 세포외액의 분극 밀도가 미리 설정된 변조 주파수로 변화되게 하고 세포외액 내의 뉴런이 미리 설정된 변조 주파수로 발화하도록 변조되게 한다.

전자기장의 근거리장은 안테나에 의해 생성되고 조건

을 만족시킬 수 있되, d는 안테나로부터, 근거리장이 끝나는 근거리장 가장자리까지의 거리를 표시하고, D는 안테나의 최대 크기를 표시하며, λ는 생성된 전자기장의 진공 내 파장을 표시한다. 여기서, d가 상기 조건을 만족한다고 가정하면, 안테나로부터의 전력은 상기 안테나 내의 전류와 전하의 유도성 효과 및 용량성 효과를 통해 근거리장 내의 목표 뇌 기능 부위 상에 효과적으로 전달될 수 있되, 상기 유도성 효과 및 용량성 효과는 뇌 내의 뉴런 그룹에 의해 형성된 뉴런 클러스터를 통해 목표 뇌 기능 부위 상에 인가되며, 상기 뉴런 클러스터는 안테나로부터 근거리장 내의 목표 뇌 기능 부위에 전달되는 전력을 수신하기 위한 보조 안테나로서 기능한다.

뇌가 안테나에 의해 생성된 전자기장의 근거리장에 둘러싸일 때, 안테나 내의 전류 및 전하의 강한 유도성 효과 및 용량성 효과를 통해, 뇌 내의 뉴런 그룹에 의해 형성된 뉴런 클러스터는 보조 안테나로서 기능하여, 근거리장 내의 뇌 영역에 깊게 들어온 전력을 안테나로부터 수신한다.

여기서, 근거리장은 안테나로부터의 거리 d, 안테나의 최대 크기 D 및 안테나에 의해 생성된 전자기장의 파장 λ에 의해 한정된다.

생성된 전자기장의 진공 내 파장 λ는, 생성된 전자기장의 뇌 기능 부위 내 파장이 뇌 기능 부위의 크기와 매칭되도록 한다. 이러한 방식으로, 뇌 기능 부위는 전자기장에 의해 효과적으로 변조될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 생성된 전자기장의 진공 내 파장 λ는, 전자기장의 뇌 기능 부위 내 파장이 뇌 기능 부위의 크기의 70% 내지 130%가 되도록 할 수 있다.

예를 들어, 뇌 내의 수면 촉진 영역인 복외측시각교차전핵(VLPO)를 선택적으로 변조하는 경우, VLPO의 크기가 약 1cm이고, 진공에서의 파장이 6cm인 전자기장이 뇌 내에서 1cm의 파장을 갖는다고 가정하면, 1cm 파장이 VLPO의 크기와 일치하여 높은 변조 효율을 얻게 된다. 이 경우, 전자기장의 파장 λ는 6cm이므로 전자기장의 주파수는 5GHz이며, 안테나의 최대 크기 D가 18cm이면,

= 19.3 cm.

즉, 안테나로부터 근거리장의 최대 거리는19.3cm이다. 여기서, 크기 D의 값은 거리 d의 값과 관련되며, 당업자는 목표 뇌 기능 부위에 적절하게 작용되도록 D 및 d의 값을 적절히 상관적으로 조정하는 것을 알 수 있다.

이 실시예에서, 전자기장은 안테나에 의해 생성되는데, 여기서 안테나를 뇌 근처에 배치함으로써, 생성된 전자기장의 근거리장 내에 목표 뇌 기능 부위가 위치되어 목표 뇌 기능 부위 내의 세포외액이 근거리장의 전기장에 의해 분극되게 하며, 근거리장의 전력이 미리 설정된 변조 주파수를 갖도록 버스트 형태로 변조됨으로써, 목표 뇌 기능 부위 내의 세포외액의 분극 밀도가 전력의 변화 주파수(즉, 미리 설정된 변조 주파수)와 동일한 주파수로 변화되어, 목표 뇌 기능 부위의 뉴런 발화 빈도가 변조되게 한다.

상기 방법의 일 예에서, 뇌는 각성 모드에서 수면 모드로 전환되는데, 여기서 안테나에 의해 전자기장이 생성되고, 그 근거리장은 뇌에 작용하여 수면 유도를 수행한다. 동작 기간 동안에, 안테나가 뇌 근처에 위치되어, 생성된 전자기장의 근거리장 내에 복외측시각교차전핵(VLPO)을 포함하는 뇌의 수면 촉진 영역이 위치되며 근거리장의 전력에 의해 목표 기능 부위 내의 세포외액이 분극되게 하되, 전자기장의 전력은 저주파수를 갖도록 버스트 형태로 변조되어, 목표 기능 부위 내의 세포외액의 분극 밀도가 전력의 변화 주파수와 동일한 주파수로 변화되게 함으로써, 뇌 수면 촉진 영역의 뉴런 발화 빈도를 변조(VLPO를 특정 빈도로 변조하는 것을 포함)하여 뇌가 각성 모드에서 수면 모드로 전환되도록 유도한다. 여기서, 생성된 전자기장의 주파수는, 생성된 전자기장의 뇌 수면 촉진 영역 내 파장이 수면 촉진 영역의 크기와 최적으로 매칭되도록 결정되어, 생성된 전자기장의 변조 효과가 수면 촉진 영역에 대한 선택성을 갖도록 한다. 생성된 전자기장의 주파수는 1 GHz 내지 20 GHz, 바람직하게는 4 GHz 내지 6 GHz의 범위 내에 있다. 생성된 전자기장의 전력 변화를 위한 변조 주파수는 5Hz 내지 2500Hz의 범위, 바람직하게는 10Hz 내지 30Hz의 범위 내에 있다.

상기 방법이 알츠하이머 질환의 치료 및 예방에 사용되는 다른 일 예에서, 상기 안테나는 전자기장을 생성하되, 그 근거리장이 뇌에 작용하여 다음과 같은 두개의 연속적인 단계를 실현한다. 1) 뇌가 각성 모드에 수면 모드로 전환되어, 뇌의 수면 모드에서만 효과적으로 작용하는 뇌의 글림프 시스템을 통해 뇌 자체가, 뇌 각성 모드에서 뉴런에 의해 생성된 노폐물을 제거할 수 있게 한다. 2) 근거리장에 의해 제공되는 전력을 이용하여 미리 설정된 변조 주파수로 뇌 수면 촉진 영역을 변조하여, 뇌가 각성 모드에서 수면 모드로 전환되어 급속 안구 운동(REM) 수면 단계까지 이르도록 한다. 3) 뇌가 수면 모드에서 REM 수면 단계에 도달하면, 미리 설정된 변조 주파수와 상이한 다른 일 변조 주파수를 이용하여 하나 이상의 다른 뇌 기능 부위, 특히 학습 및 기억과 관련된 영역을 변조하여, 뇌의 자연적 과정을 촉진하되, 상기 자연적 과정은, 베타 아밀로이드와 같은 특정 단백질 소비에 참여하는 뉴런이, 뇌 각성 모드 기간의 이들의 단백질 소비 작동 시와 실질적으로 동일한 뉴런 연결 네트워크 환경을 통해 이들의 소비를 완료하게 한다. 동작 기간 동안에, 안테나는 뇌 근처에 위치되어, 뇌의 모든 기능 부위, 특히 수면 촉진과 학습 및 기억을 위한 뇌 기능 부위가 모두 생성된 전자기장의 근거리장 내에 위치되고 모든 뇌 기능 부위의 세포외액이 근거리장에 의해 분극되며, 근거리장의 전력은 미리 설정된 낮은 변조 주파수를 갖도록 버스트 형태로 변조되어, 뇌 기능 부위 내 의 세포외액의 분극 밀도가 전자기장의 전력의 변화 주파수와 동일한 주파수로 변화되게 함으로써, 뇌 기능 부위의 뉴런 발화 빈도를 미리 설정된 변조 주파수로 변조하여 뇌를 각성 모두에서 수면 모드로 전환시키고, 이어서 뉴런 발화 빈도를 다른 주파수로 변조하여 뇌의 자연적 과정을 촉진하되, 상기 자연적 과정은 뇌의 각성 기간 동안 과량의 단백질을 처리하는데, 상기 과량의 단백질은 알츠하이머병의 원인이다. 생성된 전자기장의 수면 촉진 영역 내 파장이 뇌 내의 수면 촉진 영역과 학습 및 기억 영역의 크기와 최적으로 매칭되도록, 생성되는 전자기장의 주파수를 결정하며, 이로써 생성된 전자기장의 변조 효과가 수면 촉진 영역과 학습 및 기억 영역에 대해 선택적이도록 한다. 전자기장의 주파수는 1 GHz 내지 20 GHz, 바람직하게는 4 GHz 내지 6 GHz의 범위 내에 있다. 생성된 전자기장의 전력 변화를 위한 변조 주파수는 5Hz 내지 2500Hz의 범위, 바람직하게는 10Hz 내지 30Hz의 범위 내에 있다.

상기 방법의 다른 일 예에서, 안테나는 미리 설정된 변조 주파수에 따라 변화되는 전력을 갖는 전자기장을 생성하며, 이의 근거리장은 뇌에 작용한다. 동작 기간 동안에, 안테나를 뇌 근처에 위치시켜, 생성된 전자기장의 근거리장 내에 뇌전증 부위가 위치되게 함으로써, 뇌의 해당 부위 내의 세포외액이 근거리장에 의해 분극되게 하며, 근거리장의 전력을 저주파수(즉 미리 설정된 변조 주파수)를 갖도록 버스트 형태로 변조시켜, 뇌 기능 부위 내의 세포외액의 분극 밀도가 전력의 변화 주파수와 동일한 주파수로 변화되게 함으로써, 뇌전증 영역의 뉴런이, 해당 부위에 뇌전증이 없는 경우의 정상 주파수로 발화하여 뇌전증 영역의 뉴런이 이러한 발화를 통해 정상으로 돌아와 뇌전증이 완치될 때까지 지속되도록 변조된다. 생성된 전자기장이 뇌전증 부위에서 갖는 파장이 뇌전증 부위의 크기와 최적으로 매칭되도록, 생성된 전자기장의 주파수가 결정되어, 생성된 전자기장의 변조 효과가 뇌전증 부위에 대해 선택적이도록 한다. 전자기장의 주파수는 300 MHz 내지 20 GHz의 범위 내에 있다. 생성된 전자기장의 전력 변화를 위한 변조 주파수는 1Hz 내지 2500Hz의 범위 내에 있고, 가장 바람직하게는 5Hz 내지 45Hz의 범위 내에 있다.

상기 방법이 우울증 치료를 위해 뇌를 변조하는 다른 일 예에서, 저주파수로 진폭이 변조된 전류 신호가 안테나로 송신되어 전자기장이 생성되되, 그 근거리장은 뇌 내 세로토닌(즉, 세로토닌 경로의 활성 감소는 우울증의 병태 생리학에서 병원성 역할을 함)의 방출을 담당하는, 뇌량밑 대상회(SCG)를 포함하는 뇌 기능 부위에 작용한다. 동작 기간 동안에, 안테나를 뇌 근처에 위치시켜, 생성된 전자기장의 근거리장 내에 세로토닌 방출을 담당하는 뇌 부위가 위치되게 함으로써, 뇌의 해당 부위 내의 세포외액이 근거리장에 의해 분극되게 하며, 근거리장의 전력을 저주파수를 갖도록 버스트 형태로 변조시켜, 뇌 기능 부위 내의 세포외액의 분극 밀도가 전력의 변화 주파수와 동일한 주파수로 변화되게 함으로써, 뇌의 해당 부위의 뉴런이, 우울증이 없는 경우에 통상적으로 발화하는 주파수로 발화하도록 변조된다. 이러한 방식으로, 뇌의 해당 부위 내의 뉴런이 정상적인 발화 동작을 복원하여 우울증이 치료된다. 여기서, 생성된 전자기장이, 뇌 내 세로토닌의 방출을 담당하는, 뇌량밑 대상회(SCG)를 포함하는 뇌 기능 부위에서 갖는 파장이 해당 뇌 기능 부위의 크기와 최적으로 매칭되도록, 생성된 전자기장의 주파수가 결정되어, 생성된 전자기장의 변조 효과가 해당 뇌 기능 부위에 대해 선택적이도록 한다. 전자기장의 주파수는 1 GHz 내지 20 GHz의 범위 내에 있다. 생성된 전자기장의 전력 변화를 위한 변조 주파수는 1Hz 내지 2500Hz의 범위 내에 있고, 가장 바람직하게는 5Hz 내지 45Hz의 범위 내에 있다.

상기 방법이 뇌 학습 및 기억을 증진시키는 데 사용되는 다른 일 예에서, 저주파수로 진폭이 변조된 전류 신호가 안테나로 송신되어 전자기장이 생성되되, 그 근거리장은 학습 및 기억을 담당하는, 전두엽과 측두엽을 포함하는 뇌 기능 부위에 작용한다. 동작 기간 동안에, 안테나를 관련 뇌 기능 부위 근처에 위치시켜, 생성된 전자기장의 근거리장 내에 해당 뇌 기능 부위가 위치되게 함으로써, 뇌의 해당 부위 내의 세포외액이 근거리장에 의해 분극되게 하며, 근거리장의 전력을 저주파수를 갖도록 버스트 형태로 변조시켜, 뇌 기능 부위 내의 세포외액의 분극 밀도가 전력의 변화 주파수와 동일한 주파수로 변화되게 함으로써, 관련 뇌 기능 부위 내의 모든 뉴런이, 그의 시냅스를 통해 뉴런들 사이를 결합시키기 위한 임계 주파수로 발화하도록 변조된다. 변조를 통해, 관련 뇌 기능 부위 내의 뉴런의 보다 많은 시냅스가 활성화/경고되어 결합에 사용되도록 함으로써, 뇌가 보다 빠르게 학습하고 보다 확실하게 기억하도록 한다. 해당 실예에서, 생성된 전자기장이 학습 및 기억을 담당하는 뇌 기능 부위에서 갖는 파장이 해당 뇌 기능 부위의 크기와 최적으로 매칭되도록, 생성된 전자기장의 주파수가 결정되어, 생성된 전자기장의 변조 효과가 해당 뇌 기능 부위에 대해 선택적이도록 한다. 전자기장의 주파수는 300 MHz 내지 20 GHz 범위, 바람직하게는 2 GHz 내지 10 GHz 범위 내에 있다. 생성된 전자기장의 전력 변화를 위한 변조 주파수는 1Hz 내지 2500Hz의 범위 내에 있고, 가장 바람직하게는 25Hz 내지 85Hz의 범위 내에 있다.

유사하게, 상기 방법은 불면증을 치료 및 예방하는 데 사용될 수 있다.

보다시피, 생성된 전자기장이 진공에서 갖는 주파수(또는 파장 λ)는 목표 뇌 기능 부위의 크기에 기초하여 결정되고, 전자기장의 전력을 변조하기 위한 미리 설정된 변조 주파수는 뇌 기능 부위의 작동 뉴런 발화 빈도에 기초하여 결정되며, 이는 1Hz 내지 2500Hz, 바람직하게는 5Hz 내지 125Hz, 보다 바람직하게는 5Hz 내지 45Hz, 더욱 바람직하게는 25Hz 내지 85Hz, 더욱 바람직하게는 10Hz 내지 30Hz의 범위 일 수 있다.

상기 방법은 불면증, 알츠하이머병, 뇌전증 및 우울증 중 하나 이상을 치료 및 예방하는 데 사용되거나, 뇌 학습 및 기억을 증진시키는 데 사용될 수 있다.

다른 일 실시예에서, 뇌 내 뇌 기능 부위의 뉴런 발화 빈도를 변조하는 장치가 제공된다. 이하, 상기 장치의 다양한 예가 예시적으로 설명된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 장치는 신호 생성 모듈(21), 및 상기 신호 생성 모듈(21)에 연결된 안테나(23)를 포함하며, 상기 장치는 예를 들어 수면 유도에 사용된다. 신호 생성 모듈(21)은 전류 신호를 생성하고 전류 신호를 안테나(23)로 송신하도록 구성되며, 전류 신호의 진폭은 미리 설정된 낮은 변조 주파수를 갖도록 버스트 형태(22)로 변조된다. 따라서, 안테나(23)는 변조된 전기 신호를 신호 생성 모듈(21)로부터 수신하여 전자기장을 생성하되, 그 근거리장 범위(26)는 뇌(25)의 수면 촉진 영역(24)을 커버하여, 수면 촉진 영역(24)의 세포외액을 분극시키고 변조 주파수로 분극 밀도의 변화를 유도함으로써, 뉴런 발화 빈도가 변조 주파수로 변조되어 뇌(25)를 각성 상태에서 수면 상태로 전환시킨다. 여기서, 전자기장의 전력은 미리 설정된 변조 주파수로 변화된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 장치는 신호 생성 모듈(31), 및 상기 신호 생성 모듈(31)에 연결된 안테나(33)를 포함하며, 상기 장치는 알츠하이머병을 치료 및 예방하는 데 사용된다. 신호 생성 모듈(31)은 전류 신호를 생성하고 해당 전류 신호를 안테나(33)로 송신하도록 구성되며, 전류 신호의 진폭은 미리 설정된 낮은 변조 주파수를 갖도록 버스트 형태(32)로 변조된다. 안테나(33)는 변조된 전기 신호를 신호 생성 모듈(31)로부터 수신하여 전자기장을 생성하되, 그 근거리장 범위(36)는 수면 촉진 영역(34), 학습 및 기억 영역(34') 및 뇌(35)의 다른 영역을 커버하여, 우선 뇌 기능 부위 내의 세포외액을 분극시키고 미리 설정된 변조 주파수로 뇌 기능 부위의 분극 밀도의 변화를 유도함으로써, 수면 촉진 영역(34) 내의 뉴런의 발화를 변조하여 뇌(35)를 각성 상태에서 수면 상태로 전환시키며, 이로써 글림프 시스템이, 뇌(35) 내의 뉴런에 의해 생성된 노폐물을 제거하도록 촉진하며, 이어서 뇌(35)가 수면 모드에 있을 때, 학습 및 기억 영역(34')과 뇌(35)의 다른 영역의 분극 밀도가 다른 특정 주파수로 변화되게 유도함으로써, 학습 및 기억 영역(34')과 뇌(35)의 다른 영역의 뉴런이 해당 특정 주파수로 발화하도록 변조되게 하되, 상기 특정 주파수는, 뇌의 각성 모드로부터 생성되는 과량의 단백질이 소비/흡수되도록 뉴런 사이의 시냅스 연결을 촉진한다. 이 두 촉진 과정은 모두 알츠하이머병에 대한 치료 및 예방 효과를 뇌(35)에 제공할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 장치는 신호 생성 모듈(41), 및 상기 신호 생성 모듈(41)에 연결된 안테나(43)를 포함하며, 상기 장치는 뇌전증 치료에 사용된다. 신호 생성 모듈(41)은 전류 신호를 생성하고 해당 전류 신호를 안테나(43)로 송신하도록 구성된다. 전류 신호의 진폭은 미리 설정된 낮은 변조 주파수를 갖도록 버스트 형태(42)로 변조된다. 안테나(43)는 변조된 전기 신호를 신호 생성 모듈(41)로부터 수신하여 전자기장을 생성하되, 그 근거리장 범위(46)는 뇌(45)의 뇌전증 부위(44)를 커버하여, 뇌(45)의 뇌전증 부위(44) 내의 세포외액을 분극시키고 뇌(45)의 해당 부위(44)에 뇌전증이 없는 경우의 정상적인 뉴런 발화 빈도인 변조 주파수로 분극 밀도의 변화를 유도함으로써, 뇌전증 부위(44) 내의 뉴런을 변조 주파수로 변조하여, 뉴런이 정상적인 뉴런 발화 행위로 회복되고 뇌(45) 내의 뇌전증이 치료되도록 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 장치는 신호 생성 모듈(51), 및 상기 신호 생성 모듈(51)에 연결된 안테나(53)를 포함하며, 상기 장치는 우울증 치료에 사용된다. 신호 생성 모듈(51)은 전류 신호를 생성하고 해당 전류 신호를 안테나(53)로 송신하도록 구성되되, 전류 신호는 미리 설정된 낮은 변조 주파수를 갖도록 버스트 형태(52)로 변조된다. 안테나(53)는 변조된 전기 신호를 신호 생성 모듈(51)로부터 수신하여 전기장을 생성하되, 그 근거리장 범위(56)는 뇌(55) 내 세로토닌의 방출을 담당하는, SCG(54)를 포함하는 뇌 기능 부위를 커버하여, SCG(54), 및 뇌(55) 내 세로토닌의 방출을 담당하는 뇌 기능 부위 내의 세포외액을 분극시키고, 뇌(55)에 우울증이 없는 경우의 이들 뇌 기능 부위의 정상 발화 빈도인 변조 주파수로 분극 밀도의 변화를 유도함으로써, 이들 뇌 기능 부위의 뉴런이 정상적인 발화 행위로 회복되어 뇌(55) 내 우울증이 치료되도록 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 장치는 신호 생성 모듈(61), 및 상기 신호 생성 모듈(61)에 연결된 안테나(63)를 포함하며, 상기 장치는 뇌의 학습 및 기억을 촉진하는 데 사용된다. 신호 생성 모듈(61)은 전류 신호를 생성하고 해당 전류 신호를 안테나(63)로 송신하도록 구성되되, 전류 신호는 미리 설정된 낮은 변조 주파수를 갖도록 버스트 형태(62)로 변조된다. 안테나(63)는 변조된 전기 신호를 신호 생성 모듈(61)로부터 수신하여 전자기장을 생성하되, 그 근거리장 범위(66)가 학습 및 기억 영역(64)과 뇌(65) 내의 다른 뇌 기능 부위를 커버하여, 학습 및 기억 영역(64)과 뇌(65) 내 다른 뇌 기능 부위 내의 세포외액을 분극시키고 변조 주파수로 분극 밀도의 변화를 유도함으로써, 관련 뇌 기능 부위 내의 모든 뉴런이, 이들의 시냅스를 통해 뉴런 사이를 결합하기 위한 임계 주파수로 발화하도록 변조되게 하며, 관련 뇌 기능 부위에서 뉴런의 시냅스를 평소보다 더 많이 활성화하여 결합에 사용되도록 함으로써, 뇌(65)가 더 빠르게 학습하고 보다 확실하게 기억할 수 있게 한다.

상기 실예의 장치에 있어서, 전자기장의 근거리장은 조건

을 만족시키되, d는 안테나로부터, 근거리장이 끝나는 근거리장 가장자리까지의 거리를 표시하고, D는 안테나의 최대 크기를 표시하며, λ는 생성된 전자기장의 진공 내 파장을 표시한다.

생성된 전자기장의 진공 내 파장 λ는, 전자기장의 뇌 기능 부위 내 파장이 뇌 기능 부위의 크기와 매칭되도록 한다.

추가적으로 또는 대안적으로, 전자기장이 진공에서 갖는 파장 λ는, 전자기장의 뇌 기능 부위 내 파장이 뇌 기능 부위의 크기의 70% 내지 130%가 되도록 한다.

미리 설정된 변조 주파수는 뇌 기능 부위의 작동(또는 정상) 뉴런 발화 빈도에 기초하여 결정되며, 바람직하게는 1Hz 내지 2500Hz, 바람직하게는 5Hz 내지 125Hz, 보다 바람직하게는 5Hz 내지 45Hz. 보다 바람직하게는 25Hz 내지 85Hz, 보다 바람직하게는 10Hz 내지 30Hz의 범위 내에 있다.

뉴런 발화 빈도에 대한 감지/검출

이하, 도 7 내지 도 11을 참조하여 뉴런 발화 빈도에 대한 감지를 설명한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.

S701: 변하는 전자기장을 생성하고, 생성된 상기 전자기장의 근거리장을 목표 뇌 기능 부위에 작용시킨다.

S702: 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경을 감지한다.

S703: 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경의 변동 빈도를 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도로 결정한다.

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예를 들어, 뇌의 수면 촉진 영역인 복외측시각교차전핵(VLPO)을 선택적으로 변조하는 경우, VLPO의 크기가 약 1cm이고, 진공에서의 파장이 6cm인 전자기장이 뇌에서 1cm 파장을 갖는다고 가정하면, 1cm 파장이 VLPO의 크기와 일치하여 높은 변조 효율을 얻게 된다. 이 경우, 전자기장의 파장 λ는 6cm이므로 전자기장의 주파수는 5GHz이며, 안테나의 최대 크기 D가 18cm이면,

= 19.3 cm.

생성된 전자기장의 근거리장은, 안테나 내의 전류 및 전하의 강한 유도성 및 용량성 효과를 통해, 뇌의 뉴런 그룹에 의해 형성된 뉴런 클러스터가 2 차 안테나로서 작용하도록 유도함으로써, 뇌에서 전기장을 유도하여, 목표 뇌 기능 부위의 세포외액을 분극시킨다. 근거리장에 의한 목표 뇌 기능 부위의 세포외액에 대한 분극으로 인해, 세포외액의 분극 밀도 형성 과정에서 전자기장의 전력이 목표 뇌 기능 부위의 세포외액에 의해 흡수되어, 근거리장을 포함하는 전자기장의 파의 위상과 진폭이 변경되되, 그 변경 수준은 세포외액의 분극 밀도 수준에 따르며, 해당 분극 밀도 수준은 세포외액 내의 하전 입자의 농도에 따라 달라진다. 한편, 뇌 기능 부위의 세포외액 내의 뉴런은 특정 빈도로 발화함으로써, 세포외액 내의 하전 입자 농도를 뉴런 발화 빈도로 변화시키며, 이로써 세포외액의 분극 밀도를 뉴런 발화 빈도로 변화시키므로, 근거리장을 포함하는 전자기장의 파의 위상 및 진폭 변경이, 생성된 전자기장에 비해 뉴런 발화 빈도로 변동하도록 한다.

상기 목표 뇌 기능 부위는 예를 들어 통증 지각을 위한 전방대상피질(ACC)일 수 있으며, 상기 ACC의 확정된 상기 뉴런 발화 빈도, 및 상기 뉴런 발화 빈도와 통증 세기 사이의 캘리브레이션에 따라, 상기 뇌에서의 통증 지각 정도를 결정한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 신호 생성 모듈(81, 91, 101, 111), 신호 생성 모듈(81, 91, 101, 111)에 연결된 안테나(83, 93, 103, 113), 및 컴퓨팅 모듈(810, 910, 1010, 1110)을 포함하는, 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 장치가 제공된다.

상기 신호 생성 모듈(81, 91, 101, 111)은 변하는 전자기장의 생성을 위해, 변하는 전류 신호(82, 92, 102, 112)를 생성하여 상기 안테나(83, 93, 103, 113)로 전송하도록 구성되되, 상기 전자기장의 근거리장은 뇌(85, 95, 105, 115)의 목표 뇌 기능 부위(84, 94, 104, 114, 114')에 작용하는 데 사용되며,

상기 안테나(93)는 또한, 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경을 감지하도록 구성되거나, 또는 상기 장치는 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경을 감지하도록 구성된 별도의 안테나(88, 108, 118)를 더 포함하며,

상기 컴퓨팅 모듈(810, 910, 1010, 1110)은 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 감지된 상기 변경에 기초하여, 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경의 변동 빈도를 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도로 결정하도록 구성된다.

상기에서 보다시피, 변하는 전자기장을 생성하기 위한 전기 신호(82, 92, 102, 112) 및 목표 뇌 기능 부위의 감지된 전자기장에 의해 생성된 전기 신호 (89, 99, 109, 119)를 비교하여, 전기 신호(82, 92, 102, 112) 및 전기 신호(89, 99, 109, 119) 사이의 변경(또는 차이)의 변동 빈도를 결정한다.

상기 근거리장은 상기 전자기장을 생성한 안테나와 생성된 상기 변하는 전자기장 사이의 거리 d, 상기 안테나의 최대 크기 D 및 생성된 상기 전자기장의 진공 내 파장 λ에 의해 하기와 같은 관계식으로 정의된다:

.

생성된 상기 변하는 전자기장의 진공 내 주파수는, 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장의 파장이 상기 목표 뇌 기능 부위의 크기와 일치하도록 한다.

본 발명의 상기 방법을 구현하기 위한 장치의 일 예는 뇌의 통증 지각을 감지하기 위한 것으로서, 신호 생성 모듈이 특정 주파수의 교류 또는 펄스 전류 신호를 생성하고 해당 전류 신호를 안테나로 송신하여, ACC를 포함하는, 통증 지각을 위한 뇌 기능 부위에 작용되는 근거리장을 갖는 변하는 전자기장이 상기 안테나에 의해 생성되고, 상기 안테나 또는 별도의 안테나를 이용하여 최초에 생성된 전자기장과 해당 뇌 기능 부위의 검출된 전자기장을 비교함으로써 해당 뇌 기능 부위의 근거리장 변경을 검출하고, 이어서 해당 변경(예를 들어, 위상, 진폭 등의 변경)의 빈도가 컴퓨팅 모듈에 의해 산출된다. 해당 변경은 전자기장의 위상 변경 및 전자기장의 진폭 변경을 포함한다. 생성된 전자기장의 주파수는 3GHz 내지 8GHz, 가장 바람직하게는 300MHz 내지 30GHz의 범위 내일 수 있으며, 이로써 뇌 기능 부위에서의 전자기장의 파장이 해당 뇌 기능 부위의 크기와 일치하도록 한다. 생성된 전자기장과 감지된 전자기장 사이의 변경의 감지된 변동 빈도가 28Hz를 초과하면, 뇌의 통증 지각이 검출된다. 통증의 세기와 관련된 감지된 빈도의 캘리브레이션을 통해 뇌의 통증 지각 정도가 감지된다.

본 발명의 상기 방법을 구현하기 위한 장치의 다른 일 예는 뇌의 행동 의도를 감지하여 뇌-컴퓨터 인터페이스에 사용하기 위한 것으로서, 신호 생성 모듈이 전류 신호를 생성하고 해당 전류 신호를 안테나로 송신하여, 행동 의도를 위한, 전전두엽 피질 및 운동 피질을 포함하는 뇌 기능 부위에 작용되는 근거리장을 갖는 변하는 전자기장이 상기 안테나에 의해 생성되고, 마찬가지로 동일한 안테나 또는 별도의 안테나를 이용하여 해당 뇌 기능 부위에서의 전자기장 변경을 감지한 후, 최초에 생성된 전자기장과 해당 뇌 기능 부위의 감지된 전자기장이 시간에 따라 비교되어, 이들 두 전자기장 사이의 변경이 획득되고 이어서 해당 변경의 변동 빈도가 해당 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도로 확정된다. 생성된 전자기장의 주파수는 200MHz 내지 30GHz, 가장 바람직하게는 1GHz 내지 8GHz의 범위 내일 수 있다. 이어서, 해당 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도의 기능적 특성에 기초하여, 감지된 뉴런 발화 빈도가, 직접 뇌를 통해 기계 또는 시스템을 제어하기 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스의 신호로 파싱된다.

본 발명에서는, 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하기 위해, 해당 뇌 기능 부위에 전기장을 유도하고 해당 뇌 기능 부위의 세포외액을 분근시키는 근거리장을 갖는 변하는 전자기장이 생성되고, 이와 동시에 다른 한 안테나를 이용하여 해당 뇌 기능 부위를 통과한 전자기장이 수신되거나, 또는 상기 변하는 전자기장을 생성한 동일한 안테나를 이용하여, 해당 생성된 전자기장에 의해 해당 뇌 기능 부위에서 유도된 전기장이 감지되며, 이어서 수신된 전자기장 또는 감지된 전기장이 원래 장과 비교됨으로써, 수신된 전자기장 또는 감지된 전기장과 최초에 생성된 장 사이의 변경의 변동 빈도가 확정되어, 해당 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도가 확정된다. 대안적으로, 장의 생성에 사용된 전기 신호가 감지된/수신된 장에 의해 생성된 전기 신호와 비교됨으로써 동등하게 장의 비교가 수행된다.

이하, 도 8 내지 도 11을 참조하여 구체적으로 일부 실예가 설명된다. 도 8에 도시 된 바와 같이, 뇌(85)의 기능 부위(84)에서의 뉴런 발화 빈도를 감지하기 위해, 신호 생성 모듈(81)이 변하는 전류 신호(82)를 생성하고 이를 안테나(83)로 전달하여, 거리 범위(86) 내에 위치되어 뇌 기능 부위(84)에 전기장을 유도하는 근거리장을 갖는 전자기장이 생성되도록 한다. 별도의 안테나(88)가 뇌 기능 부위(84)를 통과한 전자기장을 수신하기 위해 근거리장 범위(87) 내에 배치되고 수신된 장 신호(89)를 컴퓨팅 모듈(810)로 전달하되, 수신된 장 신호(89)가, 장 생성을 위한 신호 생성 모듈(81)의 원래의 신호(82)와 비교됨으로써, 수신된 장과 원래 생성된 장 사이의 변경의 변동 빈도가 결정되어, 뇌 기능 부위(84)에서의 뉴런 발화 빈도가 결정된다.

도 9에 도시 된 바와 같이, 뇌(95)의 기능 부위(94)에서의 뉴런 발화 빈도를 감지하기 위해, 신호 생성 모듈(91)이 변하는 전류 신호(92)를 생성하고 이를 안테나(93)로 전달하여, 거리 범위(96) 내에 위치되어 뇌 기능 부위(94)에 전기장을 유도하는 근거리장을 갖는 변하는 전자기장이 상기 안테나에 의해 생성되도록 한다. 이와 동시에, 안테나(93)가 또한, 생성된 전자기장에 의해 뇌 기능 부위(94)에 유도된 전기장을 감지하고, 감지된 신호를 컴퓨팅 모듈(910)로 전달하여, 해당 컴퓨팅 모듈에 의해, 유도된 장의 감지된 신호(99)가, 최초 장 생성에 사용된 신호 생성 모듈(91)의 신호(92)와 비교됨으로써, 감지된 장과 생성된 장 사이의 변경의 변동 빈도가 결정되어, 해당 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도가 결정된다.

도 10에 도시 된 바와 같이, 뇌(105)의 통증 지각 기능 부위인 ACC(104)에서의 뉴런 발화 빈도를 감지하기 위해, 신호 생성 모듈(101)이 변하는 전류 신호(102)를 생성하고 이를 안테나(103)로 전달하여, 거리 범위(106) 내에 위치되어 뇌 기능 부위 ACC(104)에 전기장을 유도하는 근거리장을 갖는 전자기장이 생성되도록 한다. 또한, 별도의 안테나(108)가 뇌 기능 부위 ACC(104)를 통과한 전자기장을 수신하기 위해 근거리장 범위(107) 내에 배치되고 수신된 장 신호(109)를 컴퓨팅 모듈(1010)로 전달하여, 컴퓨팅 모듈(1010)에 의해, 수신된 장 신호(109)가, 장 생성에 사용된 신호 생성 모듈(101)의 원시 신호(102)와 비교됨으로써, 수신된 장과 원래 생성된 장 사이의 변경의 변동 빈도가 결정되어, 뇌 기능 부위(104)에서의 뉴런 발화 빈도가 결정된다. 빈도와 통증 세기 사이의 미리 설정된 캘리브레이션을 이용하여, 통증 지각 기능 부위인 ACC에서의 감지된 뉴런 발화 빈도에 따라 뇌(105)에서의 통증 지각 정도가 결정된다.

도 11에 도시 된 바와 같이, 뇌(115)의 전전두엽 피질(114)과 운동 피질(114')에서의 뉴런 발화 빈도를 감지하기 위해, 신호 생성 모듈(111)이 변하는 전류 신호(112)를 생성하고 이를 안테나(113)로 전달하여, 거리 범위(116) 내에 위치되어 전전두엽 피질(114)과 운동 피질(114')을 포함하는 뇌 기능 부위에 전기장을 유도하는 근거리장을 갖는 전자기장이 생성되도록 한다. 또한, 별도의 안테나(118)가 전전두엽 피질(114)과 운동 피질(114')을 포함하는 뇌 기능 부위의 전자기장을 수신하기 위해 근거리장 범위(117) 내에 배치되고 수신된 장 신호(119)를 컴퓨팅 모듈(1110)로 전달하여, 컴퓨팅 모듈(1110)에 의해, 수신된 장 신호(119)가, 장 생성에 사용된 신호 생성 모듈(111)의 원시 신호(112)와 비교됨으로써, 수신된 장과 원래 생성된 장 사이의 변경의 변동 빈도가 결정되어, 전전두엽 피질(114)과 운동 피질(114')을 포함하는 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도가 결정되며, 이어서 감지된 뉴런 발화 빈도가 파싱되어 뇌-컴퓨터 인터페이스에 사용된다.

본 발명의 상기 실시예에서, 안테나에 의해 생성된 전자기장의 파형은 교번 파형 및 펄스 파형을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 파형일 수 있다.

본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태가 가능하지만, 본 발명의 특정 실시예는 도면 및 상기 상세한 설명에서 예시적으로 도시되었다. 그러나, 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하려는 것이 아니며, 반대로 첨부된 청구 범위에 의해 한정된 바와 같은, 본 발명의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 변형, 균등한 것 및 대안을 포함하려는 의도로 이해되어야 한다.

삭제

용어 "포함(comprises)", "포함(comprising)", "포함(includes)", "포함(including)", "갖다(has)", "가짐(having)" 및 이들의 활용 형태는 "포함하지만 이에 제한되지 않음"을 의미한다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥 상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한 복수형을 포함한다.

본 출원 전반에 있어서, 본 발명의 실시예는 범위 형식을 참조하여 제시될 수 있다. 범위 형식의 설명은 단지 편의성 및 간결성을 위한 것으로서 본 발명의 범위에 대한 유연성 없는 제한으로 해석되어서는 안된다는 점을 이해해야 한다. 따라서, 범위에 대한 설명은 모든 가능한 하위 범위 및 그 범위 내의 개별 수치를 구체적으로 개시한 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, "1 내지 6"과 같은 범위의 설명은 "1 내지 3", "1 내지 4", "1 내지 5", "2 내지 4", "2 내지 6 ", "3 내지 6 " 등과 같은 하위 범위 및 해당 범위 내의 개별 숫자, 예를 들어 1, 2, 3, 4, 5 및 6을 구체적으로 개시한 것으로 간주되어야 한다. 이는 범위의 폭에 관계없이 적용된다.

본 명세서에서 수치 범위가 표시될 때마다(예를 들어, "10-15", "10 내지 15", 또는 이러한 다른 해당 범위 표시에 의해 연결된 임의의 숫자 쌍), 이는 문맥에서 달리 명시하지 않는 한 표시된 범위 한계점 사이의 임의의 수(분수 또는 정수), 및 해당 범위 한계점을 포함하는 것으로 의도된다. 첫번째 지시 숫자와 두번째 지시 숫자 "사이의 범위(range)/범위 내에 있는(ranging)/범위 내임(ranges)" 문구 및 첫번째 지시 숫자로"부터" 두번째 지시 숫자 번호"까지(to)", "까지(up to)", "까지(until)" 또는 "까지(through)"(또는 다른 해당 범위 표시 용어)의 "범위(range)/범위 내에 있는(ranging)/범위 내임(ranges)" 문구는 본 명세서에서 상호 교환 가능하게 사용되며, 제 1 지시 숫자 및 제 2 지시 숫자 및 그 사이의 모든 분수 및 정수를 포함하는 것을 의미한다.

달리 지시되지 않는 한, 본원에 사용된 숫자 및 그에 기초한 임의의 숫자 범위는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 합리적인 측정 및 올림 오차의 정확도 내의 근사치이다.

명확성을 위해 별도의 실시예와 관련하여 설명된 본 발명의 특정 특징은 단일 실시예에서 조합하여 제공될 수도 있음을 이해해야 한다. 반대로, 간결성을 위해 단일 실시예와 관련하여 설명된 본 발명의 다양한 특징은 개별적으로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 제공되거나, 또는 본 발명의 임의의 다른 설명된 실시예에서 적용될 수 있다. 다양한 실시예들과 관련하여 설명된 특정 특징들은, 이러한 실시예들이 그러한 요소들 없이 실시 가능하지 않는 한, 이들 실시예들의 필수 특징으로 간주되지 말아야 한다.

Claims

뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 장치에 의해 실행되는 방법으로서,
변하는 전자기장을 생성하여, 생성된 상기 전자기장의 근거리장을 목표 뇌 기능 부위에 작용시키는 단계;
상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경을 감지하는 단계; 및
상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경의 변동 빈도를 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도로 결정하는 단계를 포함하되,
상기 근거리장은 상기 전자기장을 생성한 안테나와 생성된 상기 전자기장 사이의 거리 d, 상기 안테나의 최대 크기 D 및 진공에서의 상기 전자기장의 파장 λ에 의해 관계식
로 정의되는
것을 특징으로 하는 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
진공에서의 상기 전자기장의 주파수는, 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장의 파장이 상기 목표 뇌 기능 부위의 크기와 일치하도록 하는
것을 특징으로 하는 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 전자기장의 파형은 교번 파형 또는 펄스 파형이거나, 또는 상기 전자기장의 전력은 미리 설정된 변조 주파수로 변하는
것을 특징으로 하는 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경은 위상 변경이며, 상기 목표 뇌 기능 부위의 감지된 상기 전자기장의 위상을 생성된 상기 전자기장의 위상과 비교함으로써 결정되거나, 또는
상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경은 진폭 변경이며, 상기 목표 뇌 기능 부위의 감지된 상기 전자기장의 진폭을 생성된 상기 전자기장의 진폭과 비교함으로써 결정되는
것을 특징으로 하는 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경은 상기 목표 뇌 기능 부위에 작용되는 상기 전자기장을 생성하는 안테나에 의해, 또는 대안적으로 상기 안테나와 별개인 다른 안테나에 의해 감지되는
것을 특징으로 하는 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 목표 뇌 기능 부위는 통증 지각을 위한 전방대상피질(ACC)이며, 상기 ACC에서의 확정된 상기 뉴런 발화 빈도, 및 상기 뉴런 발화 빈도와 통증 세기 사이의 캘리브레이션에 따라, 상기 뇌에서의 통증 지각 정도가 결정되는
것을 특징으로 하는 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 목표 뇌 기능 부위는 전전두엽 피질 및 운동 피질을 포함하는, 행동 의도를 위한 뇌 기능 부위인
것을 특징으로 하는 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 방법.
뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하는 장치로서, 신호 생성 모듈, 상기 신호 생성 모듈에 연결된 안테나, 및 컴퓨팅 모듈을 포함하되,
상기 신호 생성 모듈은 변하는 전자기장의 생성을 위해, 변하는 전류 신호를 생성하여 상기 안테나로 전송하도록 구성되되, 상기 전자기장의 근거리장은 목표 뇌 기능 부위에 작용하는 데 사용되며,
상기 안테나는 또한 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경을 감지하도록 구성되거나, 또는 상기 장치는 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 변경을 감지하도록 구성된 별도의 안테나를 더 포함하며,
상기 컴퓨팅 모듈은 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 감지된 상기 변경에 기초하여, 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경의 변동 빈도를 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 뉴런 발화 빈도로 결정하도록 구성되되,
상기 근거리장은 상기 전자기장을 생성한 안테나와 생성된 상기 전자기장 사이의 거리 d, 상기 안테나의 최대 크기 D 및 진공에서의 상기 전자기장의 파장 λ에 의해 관계식
로 정의되는
것을 특징으로 하는 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하기 위한 장치.
삭제
청구항 9에 있어서,
진공에서의 상기 전자기장의 주파수는, 상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장의 파장이 상기 목표 뇌 기능 부위의 크기와 일치하도록 하는
것을 특징으로 하는 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하기 위한 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 전자기장의 파형은 교번 파형 또는 펄스 파형이거나, 또는 상기 전자기장의 전력은 미리 설정된 변조 주파수로 변하는
것을 특징으로 하는 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하기 위한 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경은 위상 변경이며, 상기 목표 뇌 기능 부위의 감지된 상기 전자기장의 위상을 생성된 상기 전자기장의 위상과 비교함으로써 결정되거나, 또는
상기 목표 뇌 기능 부위에서의 상기 전자기장에 대한 상기 변경은 진폭 변경이며, 상기 목표 뇌 기능 부위의 감지된 상기 전자기장의 진폭을 생성된 상기 전자기장의 진폭과 비교함으로써 결정되는
것을 특징으로 하는 뇌의 기능 부위에서의 뉴런 발화 빈도를 능동적으로 감지하기 위한 장치.