[논문]공포반응실험을 통한 [F-18]FDG 소동물 양전자단층촬영 기능뇌영상 평가

장동표

doi:10.9718/jber.2011.32.1.074

공포반응실험을 통한 [F-18]FDG 소동물 양전자단층촬영 기능뇌영상 평가
The evaluation of [F-18]FDG small animal PET as a functional neuroimaging technique with fear response experiment 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.32 no.1, 2011년, pp.74 - 78

장동표 (가천의과학대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Although recent studies have shown the usibility of [F-18]FDG small animal Positron Emission Tommography (PET) as a functional neuroimaging technique in behavioural small animal study, researches showing the detection power of functional changes in the brain are still limited. Thus, in the study, we performed [F-18]FDG small animal PET neuroimaging in the well-established fear behavioural experiment. Twelve rats were exposed on cat for 30 minutes after the [F-18]FDG injection. As a result, the brain activity in bilateral amygdala areas significantly increased in the fear condition. In addition, the fear condition evoked the functional activities of hypothalamus, which seemed to be related to the response to stress. These clear localization of fear related brain regions may reflect that a functional neuroimaging technique using [F-18]FDG small animal PET has functional detectibility enough to be applied in small animal behavioral research.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 처음으로 [F-18]FDG 소동물 PET 뇌 영상기술을 이용하여 소동물에서 공포 자극에 따른 뇌활동 변화를 보여 주었다. 일반적으로 백서에게 포식자인 고양이는 내제적인(Intrinsic) 공포를 일으키고, 이 공포에 대하여 중추적으로 반응하는 뇌 영역이 편도체라고 널리 알려져 있다[10].
편도체는 뇌의 여러 영역과 연결되어 있어 공포에 대한 행동 반응 및 기억 등 다방면에 걸쳐 핵심적인 역할을 한다. 본 연구에서 [F-18]FDG 소동물 PET 뇌기능 영상이 어느 정도의 뇌활동 변화검출 능력을 가지고 있는지 측정하기 위해 고양이에 대한 쥐의 공포 반응 실험을 진행한 이유도 여기에 있다. 공포 자극에 대한 편도체 활동 변화 측정은 [F-18] FDG 소동물 PET 뇌기능 영상기술의 성능을 가늠할 수 있는 하나의 지표로 생각하였디' 그림 2 결과에서 보는 바와 같이 대조군에 비하여 무서운 자극에서 좌우 양쪽의 편도체의 뇌활동성 증가를 명확히 볼 수 있었다.

가설 설정

특히나 현재 소동물 PET의 해상도가 보통 1 mm 이상으로 백서의 뇌 크기에 비해 상대적으로 해상도가 상당히 떨어지는 것을 감안하면, [F-18JFDG 소동물 PET을 이용한 뇌기능영상촬영에 대한 실제적인 뇌 활동 변화검출 능력 평가는 향후 이 영상기술의 적용 및 활용에 중요하다 [7]. 본 논문에서는 [F-18JFDG 소동물 PET 뇌기능 영상이 어느 정도의 뇌활동 변화검출 능력을 가지고 있는지를 측정하기 위해 고양이에 대한 쥐의 공포 반응 실험을 진행하였다. 이 전형적인 공포 반응 실험은 지금까지 전통적으로 많이 실행되었을 뿐만 아니라[8], 뇌활동과 행동과의 관계가 비교적 많이 알려져 있기 때문에 기존 연구 결과와 비교를 통해 [F-18]FDG 소동물 PET을 이용한 뇌기능영상기술를 평가할 수 있을 것이라 가정하였다.
100 g 몸무게당 500uCi [F-18]FDG는 마취 없이 꼬리 정맥을 통해 주입하였고, 자극실험 및 [F-18] FDG 축적이 끝난 후 30분간 소동물 PET 영상촬영을 하였다. 영상은 백서의 머리뼈에 대한 영향을 적다고 가정하고 감쇄보정 (attanu#ion coxxection)없이 OSEM(ordered subset expectation maximization) 알고리듬을 이용하여 재구성하였다. 그림 2 처럼 얻어진 영상 데이터의 정확한 통계적 분석을 위해 소동물 PET 영상에서 백서의 뇌영상만을 손으로 그려서 추출하였다.

제안 방법

그림 1(a)처럼 91 cm(가로) X 51 cm(세로) X 61 cm(높이) 의 투명한 플라스틱 상자를 두 칸으로 나누어 구성하였다. 한 칸의 가로는 60 cm, 그리고 다른 한 칸은 31 cm로# 나누었다.
하였다[14]. 100 g 몸무게당 500uCi [F-18]FDG는 마취 없이 꼬리 정맥을 통해 주입하였고, 자극실험 및 [F-18] FDG 축적이 끝난 후 30분간 소동물 PET 영상촬영을 하였다. 영상은 백서의 머리뼈에 대한 영향을 적다고 가정하고 감쇄보정 (attanu#ion coxxection)없이 OSEM(ordered subset expectation maximization) 알고리듬을 이용하여 재구성하였다.
그림 1(b)와 같이 환경적응이 끝나면 백서를 꺼내 [F-1&JFDG를 정맥주사하고, 작은 방에 다시 넣어 준다. 공포 조건에서는 다른 칸에는 고양이를 넣어 백서가 공포를 느끼게 하였고, 대조군으로는 다른 칸에 같은 종의 백서를 넣어 실험을 진행하였다. 자극실험 중에 비디오 촬영을 통해 백서의 반응 및 실험 진행이 문제가 없는지 확인하였다.
정확한 해부학적인 정보를 위해서 뇌정위 좌표에 정규화된 MRI 템플릿과 일치시켜 사용하였다[13]. 또한 통계적인 파워를 높이기 위해 각 영상은 2 mm FWHM(full width at halfmaximum)을 가지는 가우시안 커널을 이용하여 스무싱(smoothing) 단계를 거쳤다. 통계적인 분석은 복셀기반의 통계분석 (Vowel based statistical analysis) 방법이 사용되었다[9].
한 칸의 가로는 60 cm, 그리고 다른 한 칸은 31 cm로# 나누었다. 실험은 오전 9시~12시에 시행하였으며, [F-18] FDG의 축적을 극대화하기 위하여 실험 8 시간 전부터 물만 주고 금식하였다. 백서의 실험 환경적응을 위해서 작은 칸에 백서를 넣고 자극실험 전 30분 정도 적응시간을 가졌다[14].
공포 조건에서는 다른 칸에는 고양이를 넣어 백서가 공포를 느끼게 하였고, 대조군으로는 다른 칸에 같은 종의 백서를 넣어 실험을 진행하였다. 자극실험 중에 비디오 촬영을 통해 백서의 반응 및 실험 진행이 문제가 없는지 확인하였다. 자극이 끝나고 난 후소동물 PET을 이용하여 소리자극 동안 축적된 [F-18JFDG 을 영상화하였다.
자극실험 중에 비디오 촬영을 통해 백서의 반응 및 실험 진행이 문제가 없는지 확인하였다. 자극이 끝나고 난 후소동물 PET을 이용하여 소리자극 동안 축적된 [F-18JFDG 을 영상화하였다. 실험 후에는 다음 실험에 대한 영향을 배제하기 위해 고양이의 분비물이나 백서의 흔적을 없애기 위해 플라스틱을 깨끗이 청소하였다.
추출된 각 영상은 정확한 해부학적 위치정보를 가지고 있는 [F-18]FDG PET 백서 뇌 템플릿에 정규화 되어 졌고, 여기서 사용된 템플릿은 정상 백서 30마리 [F-18]FDG 뇌영상을 얻어 평균하여 구성하였다. 정확한 해부학적인 정보를 위해서 뇌정위 좌표에 정규화된 MRI 템플릿과 일치시켜 사용하였다[13]. 또한 통계적인 파워를 높이기 위해 각 영상은 2 mm FWHM(full width at halfmaximum)을 가지는 가우시안 커널을 이용하여 스무싱(smoothing) 단계를 거쳤다.
그림 2 처럼 얻어진 영상 데이터의 정확한 통계적 분석을 위해 소동물 PET 영상에서 백서의 뇌영상만을 손으로 그려서 추출하였다. 추출된 각 영상은 정확한 해부학적 위치정보를 가지고 있는 [F-18]FDG PET 백서 뇌 템플릿에 정규화 되어 졌고, 여기서 사용된 템플릿은 정상 백서 30마리 [F-18]FDG 뇌영상을 얻어 평균하여 구성하였다. 정확한 해부학적인 정보를 위해서 뇌정위 좌표에 정규화된 MRI 템플릿과 일치시켜 사용하였다[13].

대상 데이터

종 24마리의 300-350 g 무게의 Sprague Dawley 백서를이 실험에 사용했다. 모든 실험진행은 동물연구에 대한 국립보건 원지 침 (National Institutes of Health Guidelines for Animal Research)에 맞추어 진행되었다.
실험 후에는 다음 실험에 대한 영향을 배제하기 위해 고양이의 분비물이나 백서의 흔적을 없애기 위해 플라스틱을 깨끗이 청소하였다. 총 공포 자극 그룹 12마리, 대조군 12마리에 대하여 데이터를 획득 분석하였다.

데이터처리

통계적인 분석은 복셀기반의 통계분석 (Vowel based statistical analysis) 방법이 사용되었다[9]. 통계적 기준치는 P < 0.05 (Familywise 에러보정, T = 6.0)를 사용하였고, 결과에 대한 T-값을 PET 템플릿 영상과 함께 보여 주었다.

이론/모형

실험에 사용했다. 모든 실험진행은 동물연구에 대한 국립보건 원지 침 (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 환경 에서 보관되 어졌다.
또한 통계적인 파워를 높이기 위해 각 영상은 2 mm FWHM(full width at halfmaximum)을 가지는 가우시안 커널을 이용하여 스무싱(smoothing) 단계를 거쳤다. 통계적인 분석은 복셀기반의 통계분석 (Vowel based statistical analysis) 방법이 사용되었다[9]. 통계적 기준치는 P < 0.

성능/효과

결론적으로 본 연구에서는 고양이에 대한 백서의 공포 반응 실험을 통해 예측된 뇌대시의 변화를 [F-18]FDG 소동물 PET 뇌영상기술을 이용하여 측정할 수 있음을 변화를 보여주었다. 더 나아가 FDG 소동물 PET 뇌기능 영상기술을 통해 다른 국소적인 국소 뇌영역들의 변화까지도 검출함으로써 이 기술이 향후 소동물 행동실험에 충분히 활용될 수 있을 것이 생각된다.
59). 또한 좌우 양쪽의 편도체(Amygdala) 에서 공포 자극 일 때 포도당 대사의 뚜렷한 변화도 관찰되었다(좌측 최대 T 값 : 7.57, 우측 최대 T값 : 8.20). 이 이외에도 외측섬유띠 (Lateral lemniscus)에서도 공포 자극 시뇌활성도가 증가함을 보였다.
공포 자극에 대한 편도체 활동 변화 측정은 [F-18] FDG 소동물 PET 뇌기능 영상기술의 성능을 가늠할 수 있는 하나의 지표로 생각하였디' 그림 2 결과에서 보는 바와 같이 대조군에 비하여 무서운 자극에서 좌우 양쪽의 편도체의 뇌활동성 증가를 명확히 볼 수 있었다. 특히 편도체의 영역의 형태와 비슷하게 경계가 명확한 뇌영상 변화가 관찰됨으로써 소동물 PET의 해상도에 비해 보다 정확한 뇌 활동 변화 측정이 가능한 것으로 판단된다. 편도체 이외에도 무서운 자극에 대해서 뇌줄기(Brainstem) 영역 중 외측섬유띠(Lateral lemniscus)에서도 활동성이 증가함을 보였다.
특히 편도체의 영역의 형태와 비슷하게 경계가 명확한 뇌영상 변화가 관찰됨으로써 소동물 PET의 해상도에 비해 보다 정확한 뇌 활동 변화 측정이 가능한 것으로 판단된다. 편도체 이외에도 무서운 자극에 대해서 뇌줄기(Brainstem) 영역 중 외측섬유띠(Lateral lemniscus)에서도 활동성이 증가함을 보였다. 이 영역은 청각영역에 관련된 영역으로 일반적으로는 놀라는 소리 (startle sound)같은 자극에 대해서는 공포 반응과 관련 있다고 알려져 있다[11].

후속연구

더 나아가 FDG 소동물 PET 뇌기능 영상기술을 통해 다른 국소적인 국소 뇌영역들의 변화까지도 검출함으로써 이 기술이 향후 소동물 행동실험에 충분히 활용될 수 있을 것이 생각된다.
이렇게 축적된 [F-18]FDG를 행동실험 후에 PET을 이용하여 촬영하게 되는 것이다. 이는 백서(rat)에서 [F-18]FDG 주입 후 마취 없이 행동실험을 한 후에 축적된' [F-18]FDG를 영상화할 수 있기 때문에 다양한 동물모델에서 인지, 행동학적 연구에도 활용할 수 있는 가능성을 보여 주었다. 하지만, 이러한 가능성에도 불구하고 [F-18]FDG 소동물 PET을 이용한 뇌 기능 영상 기술이 어느 정도의 뇌활동 변화 검출 능력을 가지고 있으며, 어느 정도의 국소활동변화까지 측정 가능한지에 연구는 전무한 상황이다.
이러한 스트레스를 포함한 놀라움 자극에 대한 일련의 영역들의 활동성 변화는 향후 다양한 실험조건을 통한 공포에 대한 연구에 [F-18]FDG 소동물 PET 뇌기능 영상이 충분히 활용될 수 있음을 보였다. 특히 [F-18]FDG 소동물 PET 뇌기능 영상은 c-fbs 나 자가방사법 (autoradiography) 같은 방법과는 달리 하나의 개체에서 여러 실험조건에서 반복해서 영상을 얻을 수 있고, 마취의 영향을 배제하고 뇌 영상을 할 수 있기 때문에 하나의 개체에서 긴 시간에 걸쳐 뇌의 변화의 관찰이 필요한 연구에 널리 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
기존의 연구를 바탕으로 고려해봤을 때, 본 연구의 실험환경에서 고양이 울음 소리 및 움직임에 관련된 소리가 백서의 공포를 자극하는 하나의 주요한 요인이지 않았을까 생각된다. 향후 소리만을 이용한 공포 자극 실험 혹은 다른 형태(냄새)를 이용한 실험을 통해서 외측 섬유띠의 대사량 변화에 대한 이유를 좀더 명확히 할 수 있을 것이디' 본 연구에서 흥미로운 것 중에 하나는 시상하부(Hypothalamus) 활동성 변화이다. 우리는 이전 연구에서 움직이지 못하는 스트레스를 주어 시간에 따른 뇌활동 변화를 보고 하였다[12].

참고문헌 (16)

F. Maestu, F. Quesney-Molina, T. Ortiz-Alonso, P. Campo, A. Fernandez-Lucas, and C. Amo, "Cognition and neural networks, a new perspective based on functional neuroimaging," Rev Neurol, vol. 37, pp. 962-6, 2003.
S. Ogawa, D. W. Tank, R. Menon, J. M. Ellermann, S. G. Kim, H. Merkle, and K. Ugurbil, "Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging," Proc Natl Acad Sci USA, vol. 89, pp. 5951-5, 1992.

상세보기
A. Van der Linden, N. Van Camp, P. Ramos-Cabrer, and M. Hoehn, "Current status of functional MRI on small animals: application to physiology, pathophysiology, and cognition," NMR Biomed, vol. 20, pp. 522-45, 2007.

상세보기
R. R. Peeters, I. Tindemans, E. De Schutter, and A. Van der Linden, "Comparing BOLD fMRI signal changes in the awake and anesthetized rat during electrical forepaw stimulation," Magn Reson Imaging, vol. 19, pp. 821-6, 2001.

상세보기
D. P. Jang, S. H. Lee, S. Y. Lee, C. W. Park, Z. H. Cho, and Y. B. Kim, "Neural responses of rats in the forced swimming test [F-18]FDG micro PET study," Behav Brain Res, vol. 203, pp. 43-47, 2009.

상세보기
D. P. Jang, S. H. Lee, C. W. Park, S. Y. Lee, Y. B. Kim, and Z. H. Cho, "Effects of fluoxetine on the rat brain in the forced swimming test: a [F-18]FDG micro-PET imaging study," Neurosci Lett, vol. 451, pp. 60-64, 2009.

상세보기
J. S. Kim, J. S. Lee, K. C. Im, S. J. Kim, S. Y. Kim, D. S. Lee, and D. H. Moon, "Performance measurement of the microPET focus 120 scanner," J Nucl Med, vol. 48, pp. 1527-35, 2007.

상세보기
J. LeDoux, "The emotional brain, fear, and the amygdala," Cell Mol Neurobiol, vol. 23, pp. 727-38, 2003.

상세보기
J. S. Kim, J. S. Lee, M-H Park, H. Kang, J. J. Lee, K. C. Im, D. H. Moon, S. M. Lim, S. H. Oh, D. S. Lee, "Assessment of cerebral glucose metabolism in cat deafness model: strategies for improving the voxel-based statistical analysis for animal PET studies," Mol Imaging Biol. 2008, vol. 10(3), pp. 154-161.

상세보기
E. A. Phelps and J. E. LeDoux, "Contributions of the amygdala to emotion processing: from animal models to human behavior," Neuron, vol. 48, pp. 175-87, 2005.

상세보기
W. K. Berg and M. Davis, "Associative learning modifies startle reflexes at the lateral lemniscus," Behav Neurosci, vol. 99, pp. 191-9, 1985.

상세보기
K. K. Sung, D. P. Jang, S. Lee, M. Kim, S. Y. Lee, Y. B. Kim, C. W. Park, and Z. H. Cho, "Neural responses in rat brain during acute immobilization stress: a [F-18]FDG micro PET imaging study," Neuroimage, vol. 44, pp. 1074-1080, 2009.

상세보기
P. Schweinhardt, P. Fransson, L. Olson, C. Spenger, J. L. Andersson, "a template for spatial normalisation of MR images of the rat brain," J Neurosci. Methods, vol. 129, pp. 105-113, 2003.

상세보기
B. J. Fueger. J. Czernin, I. Hilderbrandt, C. Tran, B. S. Halpern, D. Stout, M. E. Phelps, and W. A. Weber, "Impact of animal handling on the results of 18f-FDG Pet studies in mice," J. Nucl. Med, vol. 47, pp. 999-1006, 2006.

상세보기
A. Valles, O. Marti, and A. Armario, "Long-term effects of a single exposure to immobilization: a c-fos mRNA study of the response to the homotypic stressor in the rat brain," J. neurobiol, vol. 66, pp. 591-602, 2006.

상세보기
M. F. Dallman, S. F. Akana, N. Levin, C. D. Walker, M. J. Bradbury, S. Suemaru, and K. S. Scribner, "Corticosteroids and the control of function in the hypothalamo-pituitary-adrenal (HPA) axis.," Ann. N.Y. Acad. Sci. vol. 746, pp. 22-31, 2004.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증