뇌 기능영상기법의 신경이과학적 적용 document_id A220517035096

청각계와 청각질환에 대한 이해의 폭이 넓어지면서 중추청각 신경계의 기능에 대한 관심이 높아지고 있다. 두뇌의기능성 영상기법은 인간의 뇌기능을 비침습적인 방법으로안전하게 연구할 수 있는 방법으로 뇌간에서 대뇌에 이르는 청각경로의 기능 전반을 이해할 수 있는 새로운 수단으로서 청각과 관련된 질환의 기전과 치료계획의 수립 등 임상적용을 위한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 두뇌는 각각의 국소 기능을 합한 것이 아니라 하나의 커다란 시스템으로 보아야만 전체적인 이해가 가능하다. 전통적으로 두뇌 국소 간, 뉴런 간의 연결성 연구는 두뇌 국소 부위에 추적자를 주입하여 그 이동을 관찰하는 방법으로 이루어졌다. 국소 부위로부터 축삭을 따라 추적자가 전파되는 양상을 조직절편으로 관찰하여 국소부위의 해부학적 연결성을 관찰하는 것이다. 이 방법은 마이크로미터 단위의 공간해상력을 가지며 단일 축삭의 시냅스 연결들까지 관찰할 수 있으나 침습적이므로 사람의 뇌를 대상으로 하기에는 어려움이 있어 원숭이 등 동물의 뇌를 대상으로 한 연구가 주를 이루었다. 최근 자기공명영상 기술의 발전에 힘입어 비침습적으로 살아있는 사람을 대상으로 뉴런 간의 연결성을 관찰하는 방법들이 개발되고 있는데, 하나는 백색질 신경로 내부에서 물분자의 움직임이 축삭의 배열방향에 따라 제한된다는 물리적 특성을 이용한 확산 텐서 영상 기법이고, 또 하나는 특정 두뇌작용 시에 두뇌 국소 간에 정보가 전달되고 통합되는 과정을 fMRI로 측정된 국소의 활성도 사이의 상관관계로 분석하는 기능적 연결도 분석법이다. 최근 발달된 MRI 확산강조영상 기술로부터 파생된 확산텐서영상은 인간 뇌의 해부학적 연결성을 살아있는 생체 내에서 연구할 수 있는 길을 열었다. 확산강조영상은 물분자의 운동에 민감하여 각 부피소 단위에서 그 부피소 내 물분자의 주된 움직임의 축을 추출해 낼 수 있다. 물분자는 브라운운동을 하며 무작위로 움직이나 두뇌 백색질에서는 축삭 수초 내부에 분포하여 움직이므로 축삭과 수직인 움직임은 제한되고 평행인 움직임은 제한받지 않으므로 PDD는 축삭 다발의 방향성과 일치하게 된다. 따라서 DTI로 측정된 PDD로부터 백색질에서 부피소 단위별로 축삭다발이 배열된 방향성을 알 수 있고 이로부터 실제 신경로의 모양을 시각화한 것을 tractography라 한다. 그러나 Diffusion tractography 기술은 아직 정량적이라기 보다는 정성적인 특징을 가지고 있어 개인 간 비교나 그룹분석에 어려움이 있고 축삭의 배열이 방사성으로 확산되는 피질에 가까운 부위나 여러 방향의 축삭들이 교차하는 부위에서는 정확도가 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 단점들도 최근 probabilistic tractography 등 분석법의 개발로 극복되고 있다. fMRI나 PET은 두뇌 전반에 걸친 활성도를 영상화하여 한 가지 과제를 수행할 때 활성화되는 여러 영역들을 보여준다. 여러 영역들이 동시에 활성화되는 것은 두 영역 모두 과제와 상관이 있음은 알려주나 그 두 영역 간의 관계를 알려주지는 않는다. 예를 들어, 어떤 시각과제를 수행하는 동안 일차시각피질과 방추상회, 하두정소엽과 전전두엽이 활성화되었을 때 전전두엽이 top down 방식으로 다른 영역들을 상부조절하여 영향을 미칠 수도 있고 반대로 시각피질과 방추상회로부터 bottom up 방식으로 전전두엽의 활성화를 이끌어 낼 수도 있으며 그 외 다른 영역을 거쳐 coactivation이 되었을 가능성 또한 배재할 수 없다. Functional connectivity 연구는 정해진 가설 없이 뇌영상 자료로부터 독립적인 활성도 양상을 보이는 국소부위들을 추출하여 상관관계를 연구하는 principal component analysis, independent component analysis 등으로부터 시작되었다. 이후 이와 구별짓기 위해 effective connectivity라는 이름하에 영역들 간의 관계에 대한 가설을 전제로 하는 분석방법들이 개발되었다. fMRI기법으로 수분 간의 촬영시간 동안 수백개의 영상을 얻게 되는데, 두뇌의 관심 국소부위의 활성도를 추출하면 시간축에 따른 활성도의 변화를 추출해 낼 수 있다. 이 시간에 따른 활성도의 변화를 변인으로 두고 시간 변화에 따라 상관관계를 가지며 변화하는 다른 국소부위들을 찾아낼 수 있고 이 과정에서 가설에 대한 모델을 적용하여 검증하는 방법이다. 과제의 특성에 따른 연결도의 변화를 관찰하기도 하고 영역들 간 연결도의 방향성을 가설로 설정하여 증명하기도 하며 psychophysiological interaction, structural equation modeling, dynamic casual modeling 등의 방법들이 있다. DTI를 이용하여 다발성 경화증이나 뇌종양, 난독증, 정신분열병 등 신경과적, 신경정신과적 질병을 대상으로 많은 연구들이 이루어지고 있다. 청각계를 대상으로 한 연구는 많지 않으나 고령화와 청각 손실에 의한 청각 경로의 부분적 연결성 감소가 보고된 바 있다. 시각계에 대한 DTI 연구로서 선천성 맹환자들과 정상대조군의 시각경로를 비교한 연구에서는 맹환자들의 시상피질로는 위축되어 있음에 반하여 피질간 경로는 비교적 보존되어 있어 시각피질 기능의 가소성은 시상피질로보다는 피질간 경로를 통해 이루어진다고 하였다. Langers 등은 일측성 전농 환자를 대상으로 청각자극을 제공하여 시행한 기능적 연결도 연구를 발표하였고, 일측성 전농에서 청각경로에 나타나는 뇌가소성은 뇌간 경로보다는 피질단계에서 나타난다고 하였다. 해부학적 MRI 영상을 이용하여 대뇌 국소 부위의 부피를 비교하는 morphometry 기법은 엄밀한 의미에서 기능성영상 기법이라 할 수 없다. 그러나 두뇌 기능의 변화는 그 기능과 관련된 국소부위의 신경연접을 증가 혹은 위축시켜 국소부위의 구조를 변화시키며 이와 관련하여 음악가나 수학자 등 특정한 훈련이 필요한 직업의 경우 그 기능과 관련된 대뇌부위의 구조적 변화들이 보고되고 있다. 또한 여러 신경계 질환을 대상으로 하여 질환과 관련된 기능과 구조의 변화를 연관시킨 연구들이 최근 활발히 이루어지고 있다. VBM은 T1강조영상과 같은 뇌의 해부학적 MRI 영상을 자료로 하여 회색질과 백색질을 구별하여 표준좌표공간으로 변환시킨 후 그 밀도를 통계적으로 비교하는 기법이다. 상용화된 분석 프로그램을 사용하면 자동화된 분석경로를 따르므로 주관적인 오류를 피할 수 있다. 선천성 맹환자를 대상으로 한 VBM 연구에서는 시각경로 및 시각피질의 광범위한 위축이 보고되었고, 그 위축의 정도는 시각상실의 발생시점과 상관관계가 있다. 그러나 선천성 전농을 대상으로 한 여러 연구진의 보고에서는 청각피질의 회색질 부피는 정상청력의 대조군과 차이가 없으며 좌측 후상측두회에 국한되어 백색질의 부피만 감소되어 있음이 일관되게 발표되었다. 이에 미루어 시각중추와 청각중추의 태생학적 발달단계에서 환경과 유전의 영향이 다르게 미침을 추정해 볼 수 있다.