[논문]뇌자기공명영상의 노화에 따른 변화

지은경; 정인원; 윤탁

뇌자기공명영상의 노화에 따른 변화
A Review of Brain Magnetic Resonance Imaging Correlates of Successful Cognitive Aging 원문보기

생물정신의학 = Korean journal of biological psychiatry, v.21 no.1, 2014년, pp.1 - 13

지은경 (동남권원자력의학원 영상의학과) , 정인원 (동국대학교 일산병원 정신건강의학과) , 윤탁 (동국대학교 일산병원 정신건강의학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Normal aging causes changes in the brain volume, connection, function and cognition. The brain changes with increases in age and difference of gender varies at all levels. Studies about normal brain aging using various brain magnetic resonance imaging (MRI) variables such as gray and white matter structural imaging, proton spectroscopy, apparent diffusion coefficient, diffusion tensor imaging and functional MRI are reviewed. Total volume of brain increases after birth but decreases after 9 years old. During adulthood, total volume of brain is relatively stable. After 35 years old, brain shrinks gradually. The changes of gray and white matters by aging show different features. N-acetylaspartate decreases or remains unchanged but choline, creatine and myo-inositol increase with aging. Apparent diffusion coefficient decreases till 20 years old and then becomes stable during adulthood and increase after 60 years old. Diffusion tensor properties in white matter tissue are variable during aging. Resting-state functional connectivity decreases after middle age. Structural and functional brain changes with normal aging are important for studying various psychiatric diseases such as dementia, schizophrenia and bipolar disorder. Our review may be helpful for studying longitudinal changes of these diseases and successful aging.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

⁵⁾부검을 통한 연구는 부검 연구라는 연구 방법의 한계로 인하여, 연구들이 활발히 이루어지지 못하였으나, MRI의 개발 이후, 뇌자기공명영상을 이용한 많은 연구들이 진행되었다. 뇌자기공명영상을 이용하여 뇌 무게 측정을 하기보다는 뇌 부피를 측정하는 방법으로 연구가 되었다. Hedman 등⁶⁾은 56개의 뇌자기공명영상 연구 결과를 종합하여, 뇌 전체의 부피는 출생 후 만 9세까지 매년 약 1%씩 증가하며, 이후 만 9세에서 만 13세 사이 시기에는 뇌 전체의 부피가 감소되는 시기가 시작되어, 이후 지속적으로 약간씩 감소하고, 이러한 감소는 만 18세까지 계속된다고 하였다.
뇌자기공명영상(brain MRI)은 촬영 기술 및 분석 방법에 있어서 계속적으로 발전하고 있으며, 노화에 따른 뇌의 구조적 변화뿐만 아니라, 이전까지 알기 어려웠던 미세한 뇌의 백질과 회백질 등의 미세한 변화를 관찰할 수 있도록 해주어, 임상가들에게 많은 정보를 제공하고 있다. 본 논문에서는 뇌자기공명영상에서 관찰할 수 있는 백질과 회백질의 구조적 변화, 양성자 분광법(proton spectroscopy), 현성확산계수(apparent diffusion coefficient, 이하 ADC), 확산텐서영상(diffusion tensor imaging, 이하 DTI), 기능적 자기공명영상(function MRI, 이하 fMRI)에서 관찰되는 정상적인 노화에 따른 뇌의 변화 및 남녀 성별에 따른 차이 등에 대하여 최근까지 보고된 연구결과들을 정리하여, 정상 뇌 노화의 MRI 소견을 논의하고자 한다.

가설 설정

즉, heteromodal cortex(일반적으로 parietal-temporal-occipital cortex와 prefrontal cortex로서 여러 형태의 감각자극, 정보를 받는 부위를 말한다)는 49세, 변연계는 50세, unimodal cortex(heteromodal cortex의 반대 개념)는 53세, 변연주위부 피질은 55세, 일차 체감각피질은 56세, 피질하 회백질핵은 58세에 곡선의 커브가 나타난다고 하였으며, 이 또한 뇌에서 늦게 성숙되는 부위가 먼저 노화의 현상을 보인다는 가설을 뒷받침하고 있다.¹²⁵⁾ 시각 피질 부위는 노화에 따른 좌우피질 동시성의 감소는 적다.¹²⁶⁾
Confluent lesion은 허혈성 병변으로 광범위한 periventricular rarefaction of myelin, mild to moderate fiber loss와 다양한 정도의 신경아교증(gliosis)을 포함한 조직의 손상이 연속적인 증가를 반영한다.⁴¹⁾ Punctate lesion은 진행이 비교적 느리지만 early confluent lesion으로 일단 진행된 경우 그 범위는 빠르게 증가된다.⁴¹⁾⁴⁶⁾그러므로, 병리 소견과 함께 고려할 때, punctate lesion은 복합적 원인의 비교적 양성 병변으로 볼 수 있으며, confluent lesion은 허혈성의 진행성 악성 병변이라고 볼 수 있다.
B : Multiple punctate deep WMLs. C : Multiple punctate deep WMLs begin confluence. D : Confluent deep WMLs.
C : Multiple punctate deep WMLs begin confluence. D : Confluent deep WMLs.

제안 방법

이에 현재까지 보고된 뇌자기공명영상을 이용한 정상적인 뇌의 변화를 정리하였다.

이론/모형

조직내의 물 분자의 확산특성(diffusional properties)을 측정할 수 있는 MRI 기법으로 확산강조영상(diffusion-weighted image, 이하 DWI)이 이용된다. ADC값은 물분자의 확산 정도를 정량적으로 나타내는 지표로 다른 diffusion sensitizing gradient에 따른 신호강도의 log값을 그래프로 나타냈을 때의 생긴 기울기이며 값이 클수록 조직 내의 확산(diffusion)이 감소되어 있는 것을 의미한다.

성능/효과

¹⁾ 특히, 2020년까지는 65세의 고령 인구 수의 증가가 연평균 4%대 이상을 상회할 것으로 추정하고 있다.¹⁾ 이러한 급속한 고령화 사회로의 진입은 필연적으로 노인 질환의 증가를 유발하며, 특히 퇴행성 뇌질환인 치매 등에 대한 연구 및 치료 방법 개발에 많은 집중적인 투자가 필요한 것이 현실이다. 알츠하이머(Alzheimer) 치매 등의 퇴행성 뇌질환은 조기 발견 및 조기 치료가 효과적이며, 일차적으로 예방을 하는 것이 매우 중요하기 때문에, 노화에 따른 질환을 동반하지 않으며 기능적, 신체적, 정신사회적 측면에서 건강한 상태를 일컫는 성공적인 노화(successful brain aging)²⁾와 퇴행성 뇌질환의 뇌 변화를 초기에 구분할 필요성이 높아지고 있다.
1%에 이를 것으로 추정하고 있다.¹⁾ 특히, 2020년까지는 65세의 고령 인구 수의 증가가 연평균 4%대 이상을 상회할 것으로 추정하고 있다.¹⁾ 이러한 급속한 고령화 사회로의 진입은 필연적으로 노인 질환의 증가를 유발하며, 특히 퇴행성 뇌질환인 치매 등에 대한 연구 및 치료 방법 개발에 많은 집중적인 투자가 필요한 것이 현실이다.
118-120) DMN에서의 두드러진 연결성의 감소는 늦게 성숙하는 뇌 영역들이 노화에 보다 취약하다는 “last-in-firstout” 가설과 일치한다.
일반적으로 뇌자기공명영상을 이용한 회백질의 두께 측정은 T1W1 영상에서 회백질/백질 경계 부위와 뇌 표면 사이의 거리를 자동으로 측정하여 얻는데, 정상적인 노화에 의해 회백질/백질 자기공명영상 신호강도가 뇌 부위에 따라 다르게 관찰되는 것을 고려하여야 한다.²⁷⁾구체적으로, 노화에 따라 회백질의 T1W1 MRI 신호강도가 내측전두피질(medial frontal cortex), 전대상이랑(anterior cingulate gyrus), 하측두피질(inferior temporal cortex) 부위에서 감소되며, 백질의 T1W1 자기공명영상 신호강도는 상전두 피질과 내측전두피질(superior and medical frontal cortex), 대상이랑(cingulum), 내외측측두피질(medial and lateral temporal cortex)에서 감소되어 회백질과 백질의 부피 측정에 영향을 줄 수 있다.²⁸⁾ 또한, 중심고랑(central sulcus) 주변의 이랑(gyrus)과 대뇌피질의 두께는 실제 조직소견보다 뇌자기공명영상에서 얇게 측정되며, 이는 이 부위들이 조직학적으로 큰 베츠신경(Betz neuron)들과 큰 백질신경로(white matter tract)으로 구성되어 다른 피질과 다른 특성을 가지고 있기 때문이며, 이 때문에 회백질/백질 MRI 신호강도가 다른 부위보다 감소되어 나타난다.
남성에서 여성에 비해 회백질의 두께가 더 두꺼우나, 노화에 따라 두께의 감소 속도는 더 빠르다는 연구 결과가 있으나,³⁶⁾이와는 상반되게 성별 간의 차이가 없다는 연구도 있다.³²⁾ 비교적 최근에 발표된 일본인 400여 명을 대상으로 6년 동안 진행된 추적 연구에서는 연령과 성별에 따른 회백질 부피의 변화의 결과를 관찰하였는데, 남성에서 노화에 따른 회백질 변화가 여성에 비해 더 크게, 즉 더 많이 회백질이 감소된다고 하였으며, 50세 이전, 이후로 나눠 관찰하였을 경우, 50세 미만의 젊은 여성 집단에서 50세 이상의 여성 집단과 50세 이전, 이후의 남성 집단에 비해 회백질의 부피 변화량이 유의하게 적은 것으로 관찰되었다. 반면에 남성에서는 50세 이전, 이후 집단에서 연령에 다른 회백질 변화량의 차이가 관찰되지 않았는데, 이는 남성은 50세 이전부터 꾸준히 비슷한 비율로 회백질이 감소하고 있음을 의미하며, 여성은 남성과는 다르게 50세 이후에 회백질의 변화가 좀 더 가속화된다는 것을 보여주고 있다.
부검을 통하여 신생아에서 노인까지 뇌 무게의 변화를 관찰하였을 때, 뇌의 무게는 출생 후부터 지속적으로 증가하며, 출생 후 만 3세까지 뇌 무게의 증가가 가장 현저하고, 이후 만 3세부터 만 18세까지 지속적으로 계속 증가하여, 만 18세 때에는 신생아 시기의 약 5배까지 뇌 무게가 증가한다.⁵⁾ 만 18세 이후 성인기 시기의 뇌의 무게 변화는 크지 않고, 45~50세부터 뇌 무게의 감소가 시작되기 시작하여, 86세 이후에는 만 18세 때의 뇌 무게보다 약 11% 감소한다.⁵⁾부검을 통한 연구는 부검 연구라는 연구 방법의 한계로 인하여, 연구들이 활발히 이루어지지 못하였으나, MRI의 개발 이후, 뇌자기공명영상을 이용한 많은 연구들이 진행되었다.
⁴²⁾⁵⁴⁾ 관찰되는 위치에 따라 심부(deep ; 기저핵, 시상), 천막하(infratentorial ; 소뇌와 간뇌), 엽(lobar) 영역으로 구분하며, 심부와 천막하 미세출혈은 심혈관 질환 위험인자와 연관이 있으며,⁵⁴⁾⁵⁵⁾ 엽 위치의 미세출혈은 cerebral amyloid angiopathy와 알츠하이머 병과 같이 apolipoprotein E ε4 genotype 가 흔한 위험인자이다.⁵⁴⁾ 미세출혈의 유무, 특히, 엽 부위에서의 미세출혈 병변의 존재는 존재는 건강한 노인과 알츠하이머 치매 환자들 모두에서 인지기능의 악화와 관련이 있다.⁵⁵⁾Poels 등⁵⁵⁾ 은 831명의 평균 연령 68세의 정상 노인을 추적 조사하였을 때, 노화에 따라 미세출혈의 정도가 감소하는 경우는 드물었으며, 3년 경과시 10%의 건강한 노인에서 새로운 미세출혈 병변이 관찰되었으며, 연령이 증가될수록 미세출혈의 발생 빈도는 더 증가한다고 하였다.
Hedman 등⁶⁾은 56개의 뇌자기공명영상 연구 결과를 종합하여, 뇌 전체의 부피는 출생 후 만 9세까지 매년 약 1%씩 증가하며, 이후 만 9세에서 만 13세 사이 시기에는 뇌 전체의 부피가 감소되는 시기가 시작되어, 이후 지속적으로 약간씩 감소하고, 이러한 감소는 만 18세까지 계속된다고 하였다.⁶⁾ 그러나, 만 18세 이후에서 만 35세 사이에는 약간의 뇌 부피의 성장을 보이기도 하며, 성장이 되지 않더라도 뇌 부피의 감소는 관찰되지 않는다. 이후 만 35세 이후, 매년 0.
97) DTI의 척도들은 수초화 정도와 축색돌기의 숫자 등에 모두 관련되어 있으나, AD의 경우는 수초화 정도에만 관련되어 있을 것으로 추정하며, RD는 탈수초화에는 예민하지만 탈수초화 때문만은 아니며, 아마도 전체 뇌조직의 통합성(integrity)의 척도로 보는 것이 적절할 것이다.¹⁰³⁾그러나 노화에 따른 신경생물학적 변화와 DTI 의 각 척도 값의 변화와의 관련성은 아직 완전히 명확하게 밝혀진 것은 아니다.
DTI의 FA값 이외에 RD와 AD는 노화에 따라 RD가 증가되거나 변화가 없으나 다소 증가하는 경향을 보이며, 연령 증가에 따른 변화량이 AD보다 크다.^97-99)102)반면에 AD는 연령 증가에 따라 증가하거나 감소하는데, 이는 노화에 따른 수초화의 특성 변화 효과(myelin-specific effect) 때문으로 추정하고 있다.
남녀 간의 차이에 따른 노화의 차이는 남성에서 여성보다 NAA, Cr, Cho이 전두엽과 측두엽의 백질과 측두엽과 후두엽의 회백질에서 좀 더 감소되었으나, 후두엽의 백질에서는 증가된다고 하였다.⁷⁶⁾ 그러나 대사비율에서는 성별의 차이가 없어서, 이러한 성별의 차이가 남녀 간의 물분자의 양(water content)과 물분자의 이완(water relaxation)의 차이에 의한 것일 수 있다고 추정하고 있다.
뇌량과 내섬유막 이외의 부위에서는 노화에 따라 전두엽과내섬유막의 후반부, 뇌량의 무릎(genu)에서 FA 감소가 두드러졌으나, 측두엽과 후두엽 부위의 백질에서는 FA가 비교적 유지되었다.²⁸⁾⁹⁶⁾ 노화에 따른 차이는 백질이 일찍 성숙해지는 부위, 즉 운동감각부위(출생 후 곧 정상 FA값에 도달)가 늦게 백질의 신경수초화가 일어나는 부위, 즉 고위인지기능관련 부위(30~40대까지 지속적으로 FA 증가됨)와 다르게 변화하며, 늦게 수초화가 완성이 되는 부위일수록 노화에 따른 FA값의 변화가 크며, 결국 노화에 따른 백질 조성의 변화가 크다고할 수 있다.
이러한 다양한 연구 결과를 종합하면, 뇌의 노화에 따라 NAA는 변화가 없다는 보고도 있지만 감소한다는 보고가 많으며, Cho과 Cr은 노화에 따라 증가된다는 보고가 많고, MI 도 증가된다는 보고가 많았다.
DTI는 분획비등방성(fractional anisotropy, 이하 FA), 평균확산도(mean diffusivity, 이하 MD), 향 확산도(axial diffusivity, 이하 AD), 방사 확산도 (radial diffusivity, 이하 RD) 등의 값을 이용한다. 정상인에서 연령이 증가할수록 MD는 지속적으로 증가하고, FA는 감소한다.^28)95)96)
정상적인 노화에 의한 뇌 부피의 감소에 비해, 연구 추적 기간 중에 치매가 발병한 경우에는 정상의 두 배인 약 1.0%/년의 뇌 부피 감소를 보였으며,⁹⁾ 뇌 부피의 감소 비율이 높을 수록 치매의 발병 가능성이 높다고 본다.¹⁰⁾ Sluimer 등¹⁰⁾은 알츠하이머 치매, 경도인지장애, 주관적인 인지기능의 저하를 호소하는 집단, 정상 집단 등 네 집단을 구분하여 뇌 부피 변화를 관찰하였으며, 그 결과 처음에는 각 집단 간에 뇌 부피의 차이는 없었지만, 2년 추적 후 뇌 부피의 감소 비율을 관찰하였을 때, 알츠하이머 치매(-1.

후속연구

이 성공적인 노화는 정신질환이 없는 건강한 사람만이 아니라, 퇴행성 질환, 신경발달학적 질환을 앓고 있는 모두에게 중요한 과제이다. 이러한 성공적인 노화 과정을 밟기 위해서는 정상적인 노화 과정에서 나타나는 뇌 변화를 관찰하는 것이 중요하며, 이 정상적 뇌 변화와 비교하여, 치매 등의 질환의 변화를 관찰하고, 특히 신약의 개발 및 치료법의 발달로 인하여 과거와 달리 보다 정상적인 사회 생활을 하며, 가족과 함께 사회에서 노화를 맞이하고 있는 정신질환자들의 뇌 변화를 관찰하고, 정신질환의 증상 및 치료에 따른 뇌 변화를 연구하여 보다 더 나은 삶의 질을 영위할 수 있게하며, 성공적인 노화를 맞이하게 해주는 노력이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	뇌자기공명영상을 이용해 뇌의 백질과 회백질을 분리하여 관찰한 결과, 소아기를 기준으로 뇌 회백질의 부피 변화는?	뇌의 회백질과 백질은 일정하게 항상같이 변화되지 않는다. 뇌의 회백질은 소아기 때 그 부피가 계속 증가되는 양상을 보이다가, 소아기 이후 감소되며, 뇌의 백 질은 만 45~50세까지 꾸준히 증가한 후, 이후 감소하여 뒤집 어진 U 형태의 부피 변화를 보인다.6)23) 이처럼 뇌의 회백질과 백질이 최고 부피 용적을 보이는 시기가 서로 다르다는 연구 결과와 만 18세에서 만 35세 시기에 전체 뇌 부피가 약간 증가하는 것을 같이 고려하면, 청년 시기에 뇌의 백질의 부피 증가 비율이 회백질의 부피 감소 비율보다 크다는 것을 알 수 있다.
	기능적, 구조적, 인지척 측면에서 뇌의 변화를 관찰할 때, 구조적 관점에서의 관찰이 갖는 장점은?	알츠하이머(Alzheimer) 치매 등의 퇴행성 뇌질환은 조기 발견 및 조기 치료가 효과적이며, 일차적으로 예방을 하는 것이 매우 중요하기 때문에, 노화에 따른 질환을 동반하지 않으며 기능적, 신체적, 정신사회적 측면에서 건강한 상태를 일컫는 성공적인 노화(successful brain aging)2)와 퇴행성 뇌질환의 뇌 변화를 초기에 구분할 필요성이 높아지고 있다. 성공적인 노화, 즉 건강한 노화에 따른 뇌의 변화는 기능적, 구조적, 인지적 측면에서 다양하게 보고되고 있는데, 구조적 관점에서 건강한 뇌의 노화에 대한 변화를 관찰하는 것이 실제 임상 현장이나 연구 분야에서 보다 용이하게 뇌의 노화를 관찰할 수 있으며, 지속적으로 노화 현상을 추적할수 있는 장점이 있다. 이러한 퇴행성 뇌질환의 뇌 구조의 변화뿐만 아니라, 신약의 개발과 치료 기술의 발전으로 인하여, 임상적으로 퇴행성 질환이 아닌, 신경발달학적 질환으로 여기고 있는 조현병, 조울병 등3)4) 의 환자들이 정상적인 사회 생활을 하면서 퇴행성 노화 과정을 겪는 경우가 빈번해지고 있다.
	성공적인 노화란 무엇인가?	1) 이러한 급속한 고령화 사회로의 진입은 필연적으로 노인 질환의 증가를 유발하며, 특히 퇴행성 뇌질환인 치매 등에 대한 연구 및 치료 방법 개발에 많은 집중적인 투자가 필요한 것이 현실이다. 알츠하이머(Alzheimer) 치매 등의 퇴행성 뇌질환은 조기 발견 및 조기 치료가 효과적이며, 일차적으로 예방을 하는 것이 매우 중요하기 때문에, 노화에 따른 질환을 동반하지 않으며 기능적, 신체적, 정신사회적 측면에서 건강한 상태를 일컫는 성공적인 노화(successful brain aging)2)와 퇴행성 뇌질환의 뇌 변화를 초기에 구분할 필요성이 높아지고 있다. 성공적인 노화, 즉 건강한 노화에 따른 뇌의 변화는 기능적, 구조적, 인지적 측면에서 다양하게 보고되고 있는데, 구조적 관점에서 건강한 뇌의 노화에 대한 변화를 관찰하는 것이 실제 임상 현장이나 연구 분야에서 보다 용이하게 뇌의 노화를 관찰할 수 있으며, 지속적으로 노화 현상을 추적할수 있는 장점이 있다.

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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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