[논문]촉각 자극과 두점식별 자극에 따른 뇌활성도 분석: fMRI 사례 연구

박지원; 김중선

촉각 자극과 두점식별 자극에 따른 뇌활성도 분석: fMRI 사례 연구
Comparison of Cortical Activation between Tactile Stimulation and Two-point Discrimination: An fMRI Case Study 원문보기

대한물리치료학회지 = The journal of Korean Society of Physical Therapy, v.22 no.4, 2010년, pp.97 - 101

박지원 (대구가톨릭대학교 의료과학대학 물리치료학과) , 김중선 (대구대학교 재활과학대학 물리치료학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: Sensory input is very important for proper performance of human. Two-point discrimination is the most widely used tactile sensory test. The purpose of this study was to find the changes in cortical activation patterns between tactile stimulation and two-point discrimination. Methods: Two healthy subjects participated in our study. fMRI scanning was done during 4 repeated blocks of tactile stimulation and two point discrimination of the right index finger tip. In one block, stimuli were repeated 10 times every three seconds. To determine the changes of cortical neurons during sensory input, intensity index was analyzed. Results: When tactile stimulation of the right index finger tip was completed, only contralateral primary somatosensory area was activated. In contrast, during two-point discrimination, both the primary somatosensory area and ipsilateral supplementary sensory area were activated. Conclusion: During two point discrimination, both primary somatosensory area and ipsilateral supplementary sensory area were activated. Therefore, two-point discrimination is required more complex and conscious activity than tactile stimulation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

두점식별법은 정형외과적 신경학적 손상으로 인한 감각검사와, 환자의 치료과정에서의 회복의 정도를 파악하고 치료의 효과를 알아보기 위해 사용되는 간단하면서도 가장 널리 사용되고 있는 촉각 감각 검사법으로 이에 대한 이론적 근거를 바탕으로 두점식별의 뇌활성도와 정확한 메커니즘 알아내는 것은 물리치료 영역에서 그 관심과 연구가 증가하고 있다. 따라서 본 연구는 두점식별에 관한 뇌활성도의 변화를 알아보기 위하여 가벼운 접촉자극과 두점 자극에 대한 반응을 기능적자기공명영상을 통하여 실험을 수행하였다. 이러한 두점식별 자극에 대한 근본적인 메커니즘을 알아보기 위한 실험을 통하여 임상 검사와 치료과정에서 두점식별법의 사용이 정확한 근거와 자료를 바탕으로 실시될 것으로 기대된다.
하지만 지금까지 임상학적으로만 평가하고 사용되었을 뿐 두점식별이 뇌의 어떠한 부분에서 담당하고 활성화 되는지에 대한 연구는 미비한 수준이다. 따라서 본 연구는 의학적, 임상학적으로 감각평가에 많이 쓰이고 있는 두점식별법의 정확한 매커니즘을 파악하기 위해 뇌의 활성되는 부분을 기능적자기공명영상(functional magnetic resonance image, fMRI)을 통하여 측정 분석하여 뇌의 신경학적 연구에 기초 자료를 제공하고자 한다.
두점식별 검사는 정형외과적 신경학적 손상을 입은 환자에서 환자의 손상 정도를 파악하고 손상 후 치료 과정에서 회복의 여부를 검사하는 가장 보편화된 촉각 감각 검사방법으로 임상에서 많이 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 감각의 입력과 운동과제의 수행 및 인지에 따른 뇌신경 활동에서의 변화를 해상도 높은 영상으로 구현할 수 있는 기능적자기공명영상을 사용하여 대뇌피질 변화를 알아보았다.^12-14
본 연구는 기능적 자기공명 영상을 이용하여 가벼운 접촉 자극과 두점 자극 시 뇌활성도의 변화를 측정 비교를 통하여 두점식별에 관한 뇌활성도의 메커니즘을 알아보고자 하였다. 그 결과 가벼운 접촉 자극에 의한 뇌활성도는 자극 부위 반대측 대뇌반구의 일차체성감각영역에서 나타난 반면 두점 자극을 주었을 때 뇌활성도는 반대측의 일차체성감각영역뿐만 아니라 동측의 일차체성감각영역, 보조감각영역에서도 활성도가 나타났다.
본 연구는 기능적자기공명영상을 통하여 두점식별 검사에 따른 뇌 활성화의 변화된 양상을 관찰하기 위해 설계되었다. 두점식별 검사는 정형외과적 신경학적 손상을 입은 환자에서 환자의 손상 정도를 파악하고 손상 후 치료 과정에서 회복의 여부를 검사하는 가장 보편화된 촉각 감각 검사방법으로 임상에서 많이 사용되고 있다.

제안 방법

5T MR scanner (GyroscanIntera System, Philips, 독일) 안에 대상자는 바로 누운 자세로 과제 수행하는 동안 체간의 움직임을 없애기 위해 vacuum beandag pillows (Olympic Medical, 미국)로 머리와 목, 어깨, 팔을 수평면 상에 고정시켰다. fMRI 촬영 동안 과제 수행에 필요한 동작을 제외한 발생하는 모든 움직임을 통제하였다. 운동 수행에 영향을 미치는 시각적 되먹임은 종이를 통하여 제거하였다.
과제 수행은 fMRI scanner 안에서 두부와 체간이 고정된 자세로 실시하였다. 과제 수행은 오른쪽 검지 손가락에 two-point discriminator를 이용하여 자극을 주었으며, 자극은 한 번에 3초씩 10회 자극 하였으며 총 4번 반복하였다.
과제 수행은 fMRI scanner 안에서 두부와 체간이 고정된 자세로 실시하였다. 과제 수행은 오른쪽 검지 손가락에 two-point discriminator를 이용하여 자극을 주었으며, 자극은 한 번에 3초씩 10회 자극 하였으며 총 4번 반복하였다. 자극이 주어진 후 30초 동안의 휴식기를 가졌고 촉각 자극 구간과 두점 자극 구간은 총 4회중 2번씩 무작위로 자극이 주어졌다.
본 연구의 결과 분석은 고정효과모델(fixed effect model)을 이용하여 통계된 것으로 가정하고 통계적 유의성을 검증한 것으로, 각 활성의 p 값은 부피소의 높이역치와 범위역 치의 상호작용에 의하여 계산하였다. 관심영역은 일차감각운동 피질(primary sensory‐motor cortex, SM1), 전운동영역(premotor area), 보조운동영역(supplementary motor area, SMA), 전두엽(frontal lobe), 두정엽(parietal lobe)으로 설정하였다.
기능적 자기공명영상촬영 장치인 1.5T MR scanner (GyroscanIntera System, Philips, 독일) 안에 대상자는 바로 누운 자세로 과제 수행하는 동안 체간의 움직임을 없애기 위해 vacuum beandag pillows (Olympic Medical, 미국)로 머리와 목, 어깨, 팔을 수평면 상에 고정시켰다. fMRI 촬영 동안 과제 수행에 필요한 동작을 제외한 발생하는 모든 움직임을 통제하였다.
이때 대상자는 왼손에 버튼을 주어져 오른손에 주어진 자극이 촉각 자극일 때는 1번 버튼을, 자극이 두점일 때는 2번 버튼을 누르게 하였다. 두점 자극 시 두점 사이의 거리는 정상인이 손끝에서 느낄 수 거리인 3 mm로 하였으며 2명의 실험자가 들어가 대상자에게 자극을 제공하고 버튼을 정확히 누르는지 확인하였다.
조건 간의 비교 시 반복제시에 따른 과제 효과와 혈역학반응함수(hemodynamic response function, hrf)에 대한 선형모델을 적용하였다. 모델의 구성 시 저주파 잡음(noise)은 high‐pass filter를 이용하여 제거하였으며, 조건들의 반복제시에 의한 혈역학반응함수의 효과는 주파수의 low‐pass filer로 제거하였다. 이렇게 구성된 모델과 영상 처리된 결과는 ANOVA를 이용하여 통계 분석하였다.
얻어진 자료는 MATLAB (Mathworks Inc, 미국) 환경에서 구현되는 SPM 8(Statistical Parametric Mapping 8 version, Wellcome Department of Cognitive Neurology, 영국) software로 분석하였다. 분석절차는 머리의 움직임을 보정하기 위한 재배열(realign)을 하였으며 각 피험자의 T1 MRI 영상에 재배열 절차에서 생성된 mean‐image와 EPI 영상을 상관정렬(coregister)하였다. 이어서 EPI 영상과 T1 영상을 T1 template에 맞추는 공간표준화(normalize) 작업을 하였다.
표준화된 영상은 8mm의 FWHM (full width of half maximum)을 갖는 Gaussian kernel filter를 적용하여 편평화(smoothing)하였다. 이렇게 처리된 결과를 바탕으로 BOLD 신호의 변화를 얻기 위하여 실험조건과 비교조건을 감산(subtraction)하였으며, 분석에서 실험조건은 활성과제 구획(수행기)으로 비교조건은 대조과제(휴식기) 구획으로 하였다. 조건 간의 비교 시 반복제시에 따른 과제 효과와 혈역학반응함수(hemodynamic response function, hrf)에 대한 선형모델을 적용하였다.
분석절차는 머리의 움직임을 보정하기 위한 재배열(realign)을 하였으며 각 피험자의 T1 MRI 영상에 재배열 절차에서 생성된 mean‐image와 EPI 영상을 상관정렬(coregister)하였다. 이어서 EPI 영상과 T1 영상을 T1 template에 맞추는 공간표준화(normalize) 작업을 하였다. 표준화된 영상은 8mm의 FWHM (full width of half maximum)을 갖는 Gaussian kernel filter를 적용하여 편평화(smoothing)하였다.
과제 수행은 오른쪽 검지 손가락에 two-point discriminator를 이용하여 자극을 주었으며, 자극은 한 번에 3초씩 10회 자극 하였으며 총 4번 반복하였다. 자극이 주어진 후 30초 동안의 휴식기를 가졌고 촉각 자극 구간과 두점 자극 구간은 총 4회중 2번씩 무작위로 자극이 주어졌다. 이때 대상자는 왼손에 버튼을 주어져 오른손에 주어진 자극이 촉각 자극일 때는 1번 버튼을, 자극이 두점일 때는 2번 버튼을 누르게 하였다.

대상 데이터

본 연구에 참여한 대상자는 우성 손의 판별 검사인 Edinburg Handedness Inventory¹¹에서 오른손잡이로 판명된 2명의 정상 성인으로 과거 신경학적 정형외과적 정신적 질병이나 문제가 없는 자, 과제 수행 시 정상의 감각수준과 두 점을 구분할 수 있는 자로 하였으며, 모든 대상자는 연구의 목적과 실험 절차에 대해 충분히 이해하고 자발적인 동의 후 연구에 참여하였다.

데이터처리

이렇게 구성된 모델과 영상 처리된 결과는 ANOVA를 이용하여 통계 분석하였다. 본 연구의 결과 분석은 고정효과모델(fixed effect model)을 이용하여 통계된 것으로 가정하고 통계적 유의성을 검증한 것으로, 각 활성의 p 값은 부피소의 높이역치와 범위역 치의 상호작용에 의하여 계산하였다. 관심영역은 일차감각운동 피질(primary sensory‐motor cortex, SM1), 전운동영역(premotor area), 보조운동영역(supplementary motor area, SMA), 전두엽(frontal lobe), 두정엽(parietal lobe)으로 설정하였다.
얻어진 자료는 MATLAB (Mathworks Inc, 미국) 환경에서 구현되는 SPM 8(Statistical Parametric Mapping 8 version, Wellcome Department of Cognitive Neurology, 영국) software로 분석하였다. 분석절차는 머리의 움직임을 보정하기 위한 재배열(realign)을 하였으며 각 피험자의 T1 MRI 영상에 재배열 절차에서 생성된 mean‐image와 EPI 영상을 상관정렬(coregister)하였다.
모델의 구성 시 저주파 잡음(noise)은 high‐pass filter를 이용하여 제거하였으며, 조건들의 반복제시에 의한 혈역학반응함수의 효과는 주파수의 low‐pass filer로 제거하였다. 이렇게 구성된 모델과 영상 처리된 결과는 ANOVA를 이용하여 통계 분석하였다. 본 연구의 결과 분석은 고정효과모델(fixed effect model)을 이용하여 통계된 것으로 가정하고 통계적 유의성을 검증한 것으로, 각 활성의 p 값은 부피소의 높이역치와 범위역 치의 상호작용에 의하여 계산하였다.

이론/모형

이렇게 처리된 결과를 바탕으로 BOLD 신호의 변화를 얻기 위하여 실험조건과 비교조건을 감산(subtraction)하였으며, 분석에서 실험조건은 활성과제 구획(수행기)으로 비교조건은 대조과제(휴식기) 구획으로 하였다. 조건 간의 비교 시 반복제시에 따른 과제 효과와 혈역학반응함수(hemodynamic response function, hrf)에 대한 선형모델을 적용하였다. 모델의 구성 시 저주파 잡음(noise)은 high‐pass filter를 이용하여 제거하였으며, 조건들의 반복제시에 의한 혈역학반응함수의 효과는 주파수의 low‐pass filer로 제거하였다.
이어서 EPI 영상과 T1 영상을 T1 template에 맞추는 공간표준화(normalize) 작업을 하였다. 표준화된 영상은 8mm의 FWHM (full width of half maximum)을 갖는 Gaussian kernel filter를 적용하여 편평화(smoothing)하였다. 이렇게 처리된 결과를 바탕으로 BOLD 신호의 변화를 얻기 위하여 실험조건과 비교조건을 감산(subtraction)하였으며, 분석에서 실험조건은 활성과제 구획(수행기)으로 비교조건은 대조과제(휴식기) 구획으로 하였다.

성능/효과

일차체성감각영역은 중심후회에 위치하고 있으며 외성감각 및 고유감각 정보를 받아 들이고, 보조감각영역은 중심후회의 뒤쪽에 위치하여 신체의 의식과 관계가 있고 크기 및 구성 등을 연관시켜 어떤 물체인가를 확인하는 능력과 관계가 있다.^1,3 본 실험의 결과를 바탕으로 가벼운 촉각 자극에 대한 뇌에서의 반응은 단순한 감각정보로 인식하는 반면 두점식별에 관한 자극은 뇌에서 좀 더 민감하고 의식적인 반응이 추가되는 것으로 생각된다.
사지마비 또는 양하지마비를 가진 뇌성마비 환자에 환측 또는 건측에 두점식별법을 통하여 검사한 결과 50～72%의 환자에서 정상보다 감각능력이 떨어지는 것으로 보고되었다.^5,6 두정엽의 종양으로 인한 간질환자에서는 손상된 뇌의 반대쪽 손가락에 두점식별법을 통한 감각 검사결과 환자의 50% 정도 감각이상을 보였다.^7,8 Fatemie 등⁹은 외상으로 인한 수지재접합 수술 후 두점식별법을 이용하여 건측과 비교 평가를 통하여 수술의 성공여부를 확인하고 시간이 지남에 따라 회복의 정도를 확인하였다.
본 연구는 기능적 자기공명 영상을 이용하여 가벼운 접촉 자극과 두점 자극 시 뇌활성도의 변화를 측정 비교를 통하여 두점식별에 관한 뇌활성도의 메커니즘을 알아보고자 하였다. 그 결과 가벼운 접촉 자극에 의한 뇌활성도는 자극 부위 반대측 대뇌반구의 일차체성감각영역에서 나타난 반면 두점 자극을 주었을 때 뇌활성도는 반대측의 일차체성감각영역뿐만 아니라 동측의 일차체성감각영역, 보조감각영역에서도 활성도가 나타났다. 이것으로 보아 단순 가벼운 촉각 자극에 비해 두점 자극이 감각을 받아들이는 데 있어 더 복잡하고 의식적인 수준이 필요하며 상위감각영역에서 반응하는 것으로 생각된다.
대상자 1에서의 가벼운 촉각에 대한 자극은 좌표값 x, y, z 순으로 -30, -36, 62지점의 왼쪽 대뇌 반구의 일차체성감각영역에서 뇌활성도가 나타났고 활성화된 양(intensity index)은 3.78였다. 두점 자극에 의한 뇌활성화는 좌표 값 -48, -26, 64 지점의 오른쪽 일차체성감각영역(primary somatosensory area, S1)에서의 활성화된 양은 15.
78였다. 두점 자극에 의한 뇌활성화는 좌표 값 -48, -26, 64 지점의 오른쪽 일차체성감각영역(primary somatosensory area, S1)에서의 활성화된 양은 15.57였으며, 좌표값 52, -20, 10 왼쪽 대뇌반구의 일차체성감각영역에서의 활성화된 양은 12.85였고, 좌표값 44, -14, 54 왼쪽 대뇌 반구의 보조감각영역(supplementary sensory area, SMA)에서 활성화된 양은 10.39였다.
Salanova 등⁷은 선천적 또는 후천적인 뇌손상으로 인하여 사지마비, 양하지 마비를 가진 뇌성마비 환자를 대상으로 두점식별법을 이용한 촉각 감각 검사에서 50～72%의 환자가 정상인보다 감각능력이 떨어지는 것으로 보고 하였다. 또한 외상성 뇌손상으로 인한 중추신경계 손상 시에도 두점식별능력이 감소하는 것으로 나타났다.¹⁶
실험결과 대상자 1,2 모두에서 가벼운 촉각 자극에 의한 뇌활성도는 자극받은 반대측의 일차체성감각영역에서만 뇌활성도가 일어난 반면 두점 자극에 의한 뇌활성도는 반대측의 일차체성감각영역과 동측의 일차체성감각영역을 포함하여 보조감각영역에서도 활성도가 일어났으며, 가벼운 접촉 시 활성화된 양보다 두점 자극을 주었을 때 양이 증가하였다. 이것은 단순한 가벼운 촉각 자극과 두점 자극에 대한 감각 수용이 다르다는 것을 의미한다.

후속연구

이러한 두점식별 자극에 대한 근본적인 메커니즘을 알아보기 위한 실험을 통하여 임상 검사와 치료과정에서 두점식별법의 사용이 정확한 근거와 자료를 바탕으로 실시될 것으로 기대된다. 앞으로의 연구에서는 더 많은 대상자와 다양한 케이스의 환자에서 실험과 뇌활성도 차이를 통계학적으로 일반화하는 것이 필요하고, 대뇌피질의 다양한 영역에서 연구가 이루어져야 할 것이다.
따라서 본 연구는 두점식별에 관한 뇌활성도의 변화를 알아보기 위하여 가벼운 접촉자극과 두점 자극에 대한 반응을 기능적자기공명영상을 통하여 실험을 수행하였다. 이러한 두점식별 자극에 대한 근본적인 메커니즘을 알아보기 위한 실험을 통하여 임상 검사와 치료과정에서 두점식별법의 사용이 정확한 근거와 자료를 바탕으로 실시될 것으로 기대된다. 앞으로의 연구에서는 더 많은 대상자와 다양한 케이스의 환자에서 실험과 뇌활성도 차이를 통계학적으로 일반화하는 것이 필요하고, 대뇌피질의 다양한 영역에서 연구가 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	두점식별법은 왜 사용되는가?	두점식별법은 정형외과적 신경학적 손상으로 인한 감각검사와, 환자의 치료과정에서의 회복의 정도를 파악하고 치료의 효과를 알아보기 위해 사용되는 간단하면서도 가장 널리 사용되고 있는 촉각 감각 검사법으로 이에 대한 이론적 근거를 바탕으로 두점식별의 뇌활성도와 정확한 메커니즘 알아내는 것은 물리치료 영역에서 그 관심과 연구가 증가하고 있다. 따라서 본 연구는 두점식별에 관한 뇌활성도의 변화를 알아보기 위하여 가벼운 접촉자극과 두점 자극에 대한 반응을 기능적자기공명영상을 통하여 실험을 수행하였다.
	기능적 자기공명 영상을 이용하여 가벼운 접촉 자극과 두점 자극 시 뇌활성도의 변화를 측정 비교를 통하여 두점식별에 관한 뇌활성도의 메커니즘을 통해 무엇을 알게되었는가?	본 연구는 기능적 자기공명 영상을 이용하여 가벼운 접촉 자극과 두점 자극 시 뇌활성도의 변화를 측정 비교를 통하여 두점식별에 관한 뇌활성도의 메커니즘을 알아보고자 하였다. 그 결과 가벼운 접촉 자극에 의한 뇌활성도는 자극 부위 반대측 대뇌반구의 일차체성감각영역에서 나타난 반면 두점 자극을 주었을 때 뇌활성도는 반대측의 일차체성감각영역뿐만 아니라 동측의 일차체성감각영역, 보조감각영역에서도 활성도가 나타났다. 이것으로 보아 단순 가벼운 촉각 자극에 비해 두점 자극이 감각을 받아들이는 데 있어 더 복잡하고 의식적인 수준이 필요하며 상위감각영역에서 반응하는 것으로 생각된다.
	감각 수용기를 통한 감각입력은 삶의 질에 어떻게 도움을 주는가?	감각 수용기를 통한 감각입력은 인간의 적절한 수행에 있어 매우 중요한 요소이며 감각은 많은 위험 요소로부터 신체를 보호하고 삶의 질을 다양하고 다채롭게 해준다. 이러한 감각은 일반적으로 크게 특수감각(special sense)과 일반감각(general sense)으로 분류한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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