[논문]소동물 [F-18]FDG 양전자단층촬영 기법을 이용한 청각신경에서의 소리크기에 대한 적응효과 연구

장동표

doi:10.9718/jber.2011.32.1.055

소동물 [F-18]FDG 양전자단층촬영 기법을 이용한 청각신경에서의 소리크기에 대한 적응효과 연구
The Effect of Adaptation to Sound Intensity on the Neural Metabolism in Auditory Pathway: Small Animal PET Study 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.32 no.1, 2011년, pp.55 - 60

장동표 (가전의과학대학교 뇌과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Although sound intensity is considered as one of important factors in auditory processing, its neural mechanism in auditory neurons with limited dynamic range of firing rates is still unclear. In this study, we examined the effect of sound intensity adaptation on the change of glucose metabolism in a rat brain using [F-18] micro positron emission tomography (PET) neuroimaging technique. In the experiment, broadband white noise sound was given for 30 minutes after the [F-18]FDG injection in order to explore the functional adaptation of rat brain into the sound intensity levels. Nine rats were scanned with four different sound intensity levels: 40 dB, 60 dB, 80 dB, 100 dB sound pressure level (SPL) for four weeks. When glucose uptake during the adaptation of a high intensity sound level (100 dB SPL) was compared with that during adaptation to a low intensity level (40 dB SPL) in the experiment, the former induced a greater uptake at bilateral cochlear nucleus, superior olivary complexes and inferior colliculi in the auditory pathway. Expectedly, the metabolic activity in those areas linearly increased as the sound intensity level increased. In contrast, significant decrease interestingly occurred in the bilateral auditory cortices: The activities of auditory cortex proportionally decreased with higher sound intensities. It may reflect that the auditory cortex actively down-regulates neural activities when the sound gets louder.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 처음으로 [F-18]FDG 소동물 전용 PET 뇌영 상기술을 이용하여 소동물에서 일차감각 소리자극에 따른 뇌 활동 변화를 보여 주었다. 특히 백서의 조그마한 뇌에서 PET 영상을 통해 와우각핵(CN), 위올리브핵들(SOC), 하부의 하구(IC) 및 청각피질(AC)과 같은 청각경로의 중요한 핵에서 소리자극에 대한 반응을 확연히 구분할 수 있는 것으로 나타났고, 이는 소동물 전용 PET 뇌영상 방법이 적합한 해상도를 가지고 소리와 같은 일차감각 연구에 충분히 사용될 수 있는 측면에서 중요한 의미를 지닌다.

가설 설정

본 논문에서는 [F-18]FDG 소동물 전용 PET기술을 소리크기에 대한 신경학적 메커니즘 연구에 응용한다면 소동물에서 마취에 대한 영향 없이 다양한 실험 디자인을 통해 기존영상연구의 결과들을 보완하면서도 새로운 중요한 정보를 얻을 수 있을 것이라고 가정하였다. 그래서 여러가지 다른 크기의 소리 세기에 백서를 노출시키면서 소동물 전용 PET 을이 용하여 뇌의 활동변화를 측정하려고 하였다.

제안 방법

하였다. WO g 몸무게당 500uCi [F-18] FDG는마취없이 꼬리 정맥을 통해 주입하였고, 자극실험 및 [F-18]FDG 축적이 끝난후 30분간 소동물 전용 PET 영상촬영을 하였다. 그림 2에서 처럼 얻어진 영상 데이터의 정확한 통계적 분석을 위해 소동물 전용 PET 영상에서 백서의 뇌 영상만 손으로 그려서 추출하였다.
그리고 1 주일 후에 같은 방식으로 다른 크기의 소리를 자극 후 영상화하는 작업을 반복하였다. 각 백서당 4 주간 총 4 번의 다른 크기의 소리자극에 대한 뇌활성도 변화가 측정되었으며, 소리자극 순서에 대한 영향을 배제하기 위해 백서마다 랜덤하게 소리크기 자극 순서를 바꾸어 실험을 진행하였다.
수 있을 것이라고 가정하였다. 그래서 여러가지 다른 크기의 소리 세기에 백서를 노출시키면서 소동물 전용 PET 을이 용하여 뇌의 활동변화를 측정하려고 하였다. 우선 소리 세기의 레벨에 따른 청각관련 뇌의 각 영역에서의 포도당 대사량의 변화를 보기 위해 40 dB, 60 dB, 80 dB, 100 dB 음압레벨(Sound Pressure Level: SPL)의 연속적인 화이트 노이즈 자극을 백서에게 주고 소동물 전용 pet 영상을 촬영하였다.
그림 1(c) 의 영상프로토콜에서 보여지는 것처럼 한마리의 백서에 [F-18]FDG 주입 직후 하나의 화이트 노이즈 소리를 30 분간 들려 주고, 소리 자극이 끝나고 난후 소동물 전용 PET을 이용하여 소리자극동안 축적된 [F-18]FDG 을 영상화하였다. 그리고 1 주일 후에 같은 방식으로 다른 크기의 소리를 자극 후 영상화하는 작업을 반복하였다. 각 백서당 4 주간 총 4 번의 다른 크기의 소리자극에 대한 뇌활성도 변화가 측정되었으며, 소리자극 순서에 대한 영향을 배제하기 위해 백서마다 랜덤하게 소리크기 자극 순서를 바꾸어 실험을 진행하였다.
그래서 여러가지 다른 크기의 소리 세기에 백서를 노출시키면서 소동물 전용 PET 을이 용하여 뇌의 활동변화를 측정하려고 하였다. 우선 소리 세기의 레벨에 따른 청각관련 뇌의 각 영역에서의 포도당 대사량의 변화를 보기 위해 40 dB, 60 dB, 80 dB, 100 dB 음압레벨(Sound Pressure Level: SPL)의 연속적인 화이트 노이즈 자극을 백서에게 주고 소동물 전용 pet 영상을 촬영하였다.
그림 1(a)에서 처 럼 소리는 자체 제작한 90 cm x 90 cm x 90 cm 의 방음사각상자(30 dB 소리감쇄)의 스피커를 통해 백서에 전달되도록 하였다. 정확한 소리크기의 자극을 위해 실험 시작 전 항상 소리크기측정기(Sound Level Meter)를 이용하여 자극소리에 대한 평균소리크기를 측정하였다.
그림 2에서 처럼 얻어진 영상 데이터의 정확한 통계적 분석을 위해 소동물 전용 PET 영상에서 백서의 뇌 영상만 손으로 그려서 추출하였다. 추출된 각 영상은 정확한 해부학적 위치 정보를 가지고 있는 [F-18]FDG PET 백서 뇌 템플릿에 정규화 되어 졌고, 통계적인 파워를 높이기 위해 각 영상은 2 mm FWHM(full width at half-maximum) 을 가지는 가우시안 커널을 이용하여 스무싱(smoothing) 단계를 거쳤다. 통계적인 분석은 복셀기반의 통계분석(Voxel based statistical analysis) 방법이 사용되었다[15]* 통계적 기준치는 P < 0.

대상 데이터

2. 소리재생

소리음원는 Forge 9.0 소프트웨어를 사용하여 만든 디지털 음원으로 만들어 TDT 사의 RP2.1 시스템을 이용하여 아날로그 신호로 변화하였다' 변화된 신호는 엠프를 통해 실험에 맞는 소리 크기로 증포되어져 자극으로 사용되었다. 그림 1(a)에서 처 럼 소리는 자체 제작한 90 cm x 90 cm x 90 cm 의 방음사각상자(30 dB 소리감쇄)의 스피커를 통해 백서에 전달되도록 하였다.
총 9마리의 300-350 g 무게의 Sprague Dawley 백서를이 실험에 사용했다. 모든 실험진행은 동물연구에 대한 국립보건원지침 (National Institutes of Health Guidelines for Animal Research)에 맞추어 진행되었다.

데이터처리

0)를 사용하였고, 결과에 대한 T-값을 PET 템플릿 영상과 함께 보여주었다. 국소 뇌영역에 대한 그래프 분석을 위해서는 통계적으로 최대 T값을 가지는 복셀을 기준으로 반경 0.5 mm 내의 복셀값들의 평균을 구하여 사용하였다.
[F-18]FDG micro PET 영상 분석 프로시져 . 분석의 정확도를 위해 뇌부분 만을 추출하여 다루고 템플릿을 이용하여 같은 공간으로 정규한 후에 statistical parametric mapping(SPM)을 통해 그룹분석 및 영역 분석을 진행하였다
추출된 각 영상은 정확한 해부학적 위치 정보를 가지고 있는 [F-18]FDG PET 백서 뇌 템플릿에 정규화 되어 졌고, 통계적인 파워를 높이기 위해 각 영상은 2 mm FWHM(full width at half-maximum) 을 가지는 가우시안 커널을 이용하여 스무싱(smoothing) 단계를 거쳤다. 통계적인 분석은 복셀기반의 통계분석(Voxel based statistical analysis) 방법이 사용되었다[15]* 통계적 기준치는 P < 0.05 (Familywise 에러보정, T = 6.0)를 사용하였고, 결과에 대한 T-값을 PET 템플릿 영상과 함께 보여주었다. 국소 뇌영역에 대한 그래프 분석을 위해서는 통계적으로 최대 T값을 가지는 복셀을 기준으로 반경 0.

이론/모형

실험에 사용했다. 모든 실험진행은 동물연구에 대한 국립보건원지침 (National Institutes of Health Guidelines for Animal Research)에 맞추어 진행되었다. 동물은 12시간 주기로 밤/낮(오전 8시 점등)이 구분되며, 50-60% 정도의 습도를 가지 방에서는 자유롭게 음식과 물을 먹을 수 있는 환경에서 보관되어졌다.

성능/효과

100 dB 소리자극과 40 dB 소리 자극 조건을 비교했을 때 청각 경로에서 내측무릎핵(MGN)을 제외한 대부분의 핵들에서는 포도당 대사의 유의미한 차이를 보였다(Table 1). 이 영역들 이외에도 인슐라(Insula)영역에서도 변화를 보였다.
결론적으로 본 연구는 처음으로 [F-18]FDG 소동물 전용 PET 뇌영상기술을 이용하여 소리 크기에 대한 뇌대사의 변화를 보여주었다. 청각피질의 활동은 소리크기에 반비례하는 것으로 나타났으나, 반면 청각경로의 아래에 있는 영역들의 경우 소리의 크기와 비례하는 뉴론의 활동을 보여주었다.
이는 왼쪽과 오른쪽이 동일e 한 결과를 보였다. 내측무릎핵(MGN)의 경우 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았고, 와우각핵(CN), 위올리브핵들 (SOC)의 경우 전반적으로 소리크기가 증가함에 따라 선형적으로 활성도가 증가함을 보였다.
기존 연구에서는 소리크기가 작은 것에서 큰 것으로 변화할 때의 순간적인 뇌의 반응을 본 반면, 본 연구에서는 [F-18]FDG 소동물 전용 PET 영상기술의 특성상 하나의 소리 크기에 대해서 30분간 노출되어 얻어진 결과이다. 따라서 본 연구에서의 청각피질의 반응은 순간적인 소리 크기의 변화에 대한 반응이라기보다는 콘서트장처럼 시끄러운 공간으로 들어가서 시간이 지나면 점점 소리에 대한 구분이명확해 질 때 나타나는 뇌의 반응에 가깝다. 즉 큰소리에 대한 적응(adaptation)에 대한 뇌 활성의 변화를 보여주는 것으로 사료된다.
그리고 그림 3(b, c)에서 보는 바와 같이 청각 경로에서 아래로 내려 갈수록 소리크기 변화에 대한 반응이 더욱 커진다는 부가적 인 정보도 알 수 있었다. 본 연구 결과 중에서는 가장 흥미로운 것 중의 하나는 소리크기가 커짐에 따라 청각피질의 활성도가 떨어진다는 것이다. 이는 기존 연구들에서 보여주었던 것처럼 큰 소리의 자극에 대하여 청각 피질의 활동이 증가한다는 보고와는 정반대의 결과이다.
최근 [F-18]FDG (2-[F-18]-Fluoro-2-deoxy-D-glucose) 양전자단층촬영 (positron emission tomography: PET)을사용하여 소동물 특히 백서(rat) 뇌에서 포도당 대사 변화를 측정하여 기능영상을 할 수 있는 방법을 발표되었다[6-8]. 특히 이 영상기법은 마취없이 [F-18JFDG를 백서에 주입한 후 실험하고, 실험하는 중간에 뇌에 축적된 [F-18]FDG를 실험을 마친후에 영상화함으로써 마취의 효과 없이 행동 학적 인영 상연 구에 성공적으로 적용될 수 있었다

후속연구

하지만 그럼에도 불구하고 와우각핵 (CN), 위올리브핵들(SOC), 하부의 하구(IC) 에서는 소리크기에 적응반응이 거의 일어나지 않고, 청각 피질에서는 유독히 다른 적응반응을 보인다는 것은 여전히 흥미로운 부분 중의 하나이다. 따라서 다양한 청각 자극조건을 이용한 연구를 통해 소리 크기에 청각피질 및 청각경로의 적응반응에 대한 연구는 더 필요할 것으로 생각된다.
특히 c-fos 나 자가 방사 기록법 (autoradigraphy) 같은 방법과는 달리 하나의 개체에서 여러 실험조건에서 반복해서 영상을 얻을 수 있기 때문에 개체에 대한 차이를 배제한 영상연구가 가능할 수 있는 장점이 있다. 이 이외에도 마취의 영향을 배제하고 뇌 영상을 할 수 있기 때문에 향후 동물 행동에 관련된 연구에 [F-18]FDG 소동물 전용 PET 뇌영상기술이 널리 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (15)

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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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