Microsaccades와 동공 크기 변화 기반 알츠하이머 조기 진단: 인공지능 시대의 눈동자 바이오마커

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 Microsaccades와 동공 크기 변화 기반 알츠하이머 조기 진단: 인공지능 시대의 눈동자 바이오마커

doi:10.9718/JBER.2025.46.2.191

핵심 키워드: 알츠하이머 조기 진단, eye-tracking, 디지털 바이오마커, microsaccades, 동공 크기, 인지 기능 평가, 비침습적 진단, 신경퇴행성 질환

서론: 눈동자가 알려주는 기억의 퇴행

알츠하이머병(Alzheimer's Disease, AD)은 노화로 인한 대표적인 신경퇴행성 질환으로, 전 세계 수백만 명의 삶에 중대한 영향을 미치고 있습니다. 조기 진단이 중요하다는 사실은 잘 알려져 있지만, 실제 임상에서는 Mini-Mental State Examination (MMSE), Montreal Cognitive Assessment (MoCA)와 같은 검사법이 시간 소모가 크고, 객관성이 떨어지는 문제가 지적되어 왔습니다.

최근 들어 눈의 미세한 움직임인 Microsaccades와 동공 크기 변화를 활용한 디지털 바이오마커(digital biomarkers)가 주목받고 있습니다. 특히 AI 기반의 eye-tracking 기술을 활용해 뇌의 인지 기능 상태를 시각화하고 정량화하는 접근은 기존 진단법을 획기적으로 보완할 수 있는 대안으로 떠오르고 있습니다.

실험 개요

다양한 연령층(20대, 60대, 70대)의 피험자를 대상으로 eye-tracking 기술을 이용하여 Microsaccades와 동공 반응을 측정했습니다.

  • Microsaccades: 무의식적인 미세 시선 이동

  • 동공 크기 변화: 자율신경계 반응으로, 부교감 및 교감 신경의 영향을 받음

연령대에 따른 차이, 그리고 MMSE 점수를 기준으로 한 인지기능 저하 그룹과 정상 그룹 간의 차이를 분석해, 알츠하이머병 조기 진단에 있어 이들 지표가 활용 가능한지 검토하였습니다.

주요 결과 및 분석

Fig. 1. 실험 설계 개요: EyeLink 시스템을 이용한 측정 환경

1. Microsaccades 분석 결과

연령별 변화

  • 20대에서는 수평 방향(x축)의 단순하고 예측 가능한 움직임

  • 60대, 70대에서는 수직(y축) 및 비스듬한 방향의 움직임이 동반됨

  • 연령 증가에 따라 빈도와 복잡성 증가

 통계적으로 유의미한 변화

  • x축 Microsaccades 발생 빈도:

    • 20대 vs 70대: P = 0.000

  • y축 Microsaccades 발생 빈도:

    • 20대 vs 70대: P = 0.000

Fig. 2. 연령에 따른 microsaccades의 x, y축 변화 그래프

인지기능 저하 그룹 비교

  • 동일한 연령대(70대)에서도 MMSE 점수가 낮을수록 Microsaccades 빈도 증가

  • 인지 기능 저하 → 비정상적인 시선 이동 패턴 발생

Fig. 3. MMSE 점수에 따른 microsaccades 발생 차이

2. 동공 크기 변화 분석

반응 진폭 감소

  • 20대에서 동공 수축률 -51.6%, 확장률 +114.9%

  • 70대에서는 수축률 -38.4%, 확장률 +63.4%

  • 동공의 반응 진폭이 연령 증가에 따라 감소

Fig. 4. 동공의 확장 및 수축 그래프 (연령별 비교)

반응 속도는 일정

  • 수축 시간: 평균 1.22초 (모든 연령대 비슷)

  • 확장 시간: 평균 7.6초

  • 반응 ‘속도’보다는 ‘진폭’이 노화의 지표로 유의미함

고찰: 눈이 말해주는 인지 저하

이번 연구는 Microsaccades와 동공 크기 변화를 조합하여, 노화 및 인지 기능 저하의 생리학적 신호를 실시간으로 감지할 수 있는 가능성을 제시했습니다. 특히, 비정상적인 Microsaccades 패턴은 경도인지장애(MCI) 혹은 알츠하이머병 초기 단계의 주요 바이오마커로 기능할 수 있으며, 기존 MMSE 및 MoCA가 가진 교육수준 편향 한계를 극복할 수 있습니다.

또한, 연구에서 제안된 다중 바이오마커 접근법은 단일 지표 기반 진단보다 더 높은 정확도와 통계적 신뢰도를 보장할 수 있다는 점에서 매우 의미 있는 임상적 전환점을 제시합니다.

미래 연구 방향

  • 알츠하이머 확진 환자 대상 확장 연구 필요

  • 뇌영상(MRI, fMRI 등)과의 통합 분석

  • AI 기반 자동 진단 모델 개발을 통한 실시간 분석 시스템 상용화

결론 요약

  • Microsaccades는 나이 및 인지기능 저하와 밀접한 상관관계

  • 동공 크기의 반응 진폭은 연령 증가에 따라 유의미하게 감소

  • 비침습적이고 객관적인 조기 진단 도구로서의 eye-tracking 기반 디지털 바이오마커의 활용 가능성 확인

참고문헌

[1] Gaugler J, et al., “2022 Alzheimer’s disease facts and figures,” Alzheimer's Dement, vol. 18, no. 4, pp. 700–789, 2022.
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[3] Kapoula Z, et al., “Distinctive features of microsaccades in Alzheimer’s disease and in mild cognitive impairment,” Age, vol. 36, p. 535–543, 2014.
[4] Alexander RG, et al., “Microsaccade characteristics in neurological and ophthalmic disease,” Front Neurol, vol. 9, p. 144, 2018.
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