자기 회로를 자극하는 자극

Slimsdizz (Wikimedia Commons)
출처 : Slimsdizz (위키 미디어 커먼즈)

뇌 자극은 빅토리아 과학 박람회에서 프랑켄슈타인의 시위처럼 들릴지도 모릅니다. 그러나 현실에서는 인간의 뇌 기능을 조사하기위한 전통적인 방법의 오랜 한계를 해결함으로써 신경 과학에 커다란 영향을 미치는 현대 기술입니다. 뇌파와 fMRI와 같은 이러한 기술은 뇌 활동에 대한 자극이나 과제의 효과를 추론하는 데에만 사용할 수 있으며 그 반대는 아닙니다. 예를 들어, 과학자는 팔 운동과 같은 작업이 뇌 활동에 미치는 영향을 연구하기 위해 뇌파를 사용할 수 있지만 팔 운동에 대한 뇌 활동의 효과를 어떻게 연구 할 수 있습니까?

오늘날, 경 두개 자기 자극 (transranial magnetic stimulation, TMS)과 같은 비 침습적 뇌 자극 기술은 오래된 패러다임에 대한 대안을 제공하고 있습니다. TMS는 안전하고 윤리적으로 기초가되는 뇌 조직을 자극하거나 억제하여 뇌 회로와 행동 사이의 인과 관계를 연구 할 수 있습니다. 또한 TMS는 우울증과 같은 뇌 질환 치료에 치료 적 가치가있을 수 있습니다.

Wikimedia Commons, National Institutes of Health
출처 : 위키 미디어 커먼즈, 국립 보건원

여기 그것이 작동하는 방법입니다. 와이어의 원형 코일은 환자의 머리 위에 고정되고 와이어의 전류는 자기장을 유도합니다. 자기장의 하전 된 입자는 자기장의 방향에 수직 인 힘을 겪기 때문에, 하부 뇌 조직의 이온 이동은이 필드에 의해 변경됩니다. 이것은 두뇌 "병변"을 시뮬레이션, 대뇌 피질의 조직에서 뉴런의 발사를 방해. 예를 들어 Broca의 영역 (말하기 생산에 필요한 뇌 영역)에서 코일을 활성화하면 참가자가 더듬 거리고 중간 문장을 말하지 않게됩니다. 그러나 참가자는 지시가있는 경우에도 노래를 부를 수 있으므로 말하기와 노래가 다른 신경 회로에 의존한다는 것을 보여줍니다.

이름에서 알 수 있듯이, TMS는 또한 적용된 맥박의 빈도에 따라 뇌 조직을 자극 할 수 있습니다. 예를 들어, 모터 피질에 사용되는 TMS는 특정 근육에 트 위치를 유발할 수 있습니다. 이 효과를 보여주는 특히 창조적 인 실험은 시애틀에있는 워싱턴 대학 (University of Washington)의 연구자들이 수행했습니다. Rajesh PN Rao와 그의 동료들은 한 대상의 뇌파 출력을 다른 대상의 TMS 코일 입력으로 사용했습니다. 첫 번째 피험자가 오른손 검지 손가락을 구부릴 것으로 상상했을 때, 뇌파는 모터 피질보다 두피에서이 상상의 운동과 관련된 전기적 활동을 기록했습니다. EEG로 기록 된 전기 출력은 두피 대상의 TMS 코일에 공급되어 동일한 두피 영역에 고정되어 두 번째 대상이 실제로 손가락을 트 위치하게합니다!

2014 Rao et al. (Creative Commons license)
출처 : 2014 Rao et al. (크리에이티브 커먼즈 라이선스)

좁은 의미에서 TMS는 시각 장애인을 다시 볼 수 있습니다. 눈 부상으로 시력을 대부분 잃은 사람들의 시각 피질에 적용된 TMS는 눈을 문지른 후에 보일 수있는 모양과 색상과 비슷한 모양과 색상의 시각적 경험을 유도합니다.

TMS의 치료 적 사용은 우울증에서 강박 장애 (OCD)에 이르는 다양한 장애에서 뇌 활동을 교정하려고합니다. 우울증에 대한 TMS의 연구는 배면 외 전두엽 피질 (dorsolateral prefrontal cortex)이라고 불리는 피질 영역에 자극을 가했을 때 우울한 증상의 완화를 보여준다. 이 연구의 결과는 가짜 자극이 위약 효과 때문이 아닌 결과를 보장하는 데 사용되는 가짜 조건과 관련하여 측정됩니다. TMS는 약물 치료에 반응하지 않는 우울증 환자에게 새로운 희망을 제공하며 다른 질환 치료에도 효과적 일 수 있습니다. 그러나 많은 정신과 치료와 마찬가지로 연구자들은 TMS가 증상을 완화하고 왜, 왜, 어떻게 완화 하는지를 아직 확신 할 수 없습니다. TMS가 적용되는 뇌 영역의 수많은 세포와 시냅스를 감안할 때 단순한 자기 펄스의 영향만으로는 완전히 계산할 수 없습니다.

Wikimedia Commons, National Institutes of Health
출처 : 위키 미디어 커먼즈, 국립 보건원

TMS가 우울증을 치료하는 정확한 메커니즘은 불확실하지만, 전자 경련 요법이나 경련을 유발하여 심한 우울증을 치료하는 ECT와 유사한 추상 원칙으로 치료 효과를 나타낼 수 있습니다. 이 경험은 간질 발작과는 다르다. 왜냐하면 환자는 치료에 동의 한 후 마취와 근육 이완제를 투여하기 때문이다. 그렇다면 실제로 발작이 실제로 도움이되는 이유는 무엇입니까? Williams and Mary 대학의 학제 간 연구 수석 강사 인 Carey Bagdassarian은 ECT에 의해 주어진 전기적 충격이 깊은 골짜기에서 공을 교란시키는 것처럼 우울한 상태에서 두뇌를 "밀"시킬 것이라고 추측했다. 이 유추에서, 골짜기의 풍경은 신경 발화 속도와 같은 관련 두뇌 변수에 의해 스팬 된 수학적 공간입니다. 이 추측은 아직 공식화되지 않았거나 직접 테스트를 거친 것입니다 (푸시가 잘못된 방향으로 주어지면 어떻게 될까요?). 그러나 영국의 연구자들은 우울증에 대한 ECT 치료가 실제로 전두엽과 뇌의 대사 활동 패턴 간의 상관 관계를 감소 시킨다는 사실을 발견했습니다. 이것은 ECT가 Bagdassarian이 제안한 은유 적 계곡처럼 활동을 제한 할 수있는 우울한 상태에서 전두엽의 뇌 회로를 방출한다는 것을 의미합니다.

정당화 여부와 상관없이, ECT의 대중과의 평판은 기억 상실과 학대에 대한 혐의로 인해 손상되었습니다. 그러나 TMS는 아마도 비슷한 메커니즘을 통해 두뇌를 재부팅하기에 더 섬세하고 미묘한 대안을 제공 할 수 있습니다. ECT와 마찬가지로, 우울증에 대한 TMS 치료는 외측 전 전두엽 피질에서의 대사 활동과 종양 징크릿 (subgenual cingulate)으로 알려진 뇌의 다른 영역 사이의 상관 관계를 변화시키는 것처럼 보입니다. 그러나 ECT와는 달리 TMS는 적절하게 투여 될 때 발작을 거의 유발하지 않으며, 자극은 대뇌 피질의 특정 부위를 겨냥 할 수 있습니다. TMS는 ECT보다 더 유연하고 다양한 도구입니다.

Frontiers for Young Minds, Shamir et al 2014 (Creative Commons License)
심뇌 자극의 예
출처 : 젊은 마음을위한 국경, Shamir 외 2014 (크리에이티브 커먼즈 라이센스)

TMS와 ECT를 넘어서 뇌 자극은 계속해서 다른 강도와 응용을 가진 기술 계열로 꽃 피고 있습니다. 깊은 뇌 자극 (DBS)은 시상과 기저핵과 같은 두피에서 도달 할 수없는 핵심 뇌 구조를 자극하기 위해 외과 적으로 전극을 삽입합니다. 이 기술은 침습성이지만 파킨슨 병 치료에 큰 가능성을 보여줍니다. 다른 한편으로, transcranial direct current stimulation, 즉 tDCS는 차고 아마추어에 의한 수많은 자체 – 실험 스타일의 자기 실험 보고서에 경각심을 일으킨 기술입니다 (필자는 권장하지 않습니다). 이 기술 자체는 상대적으로 간단하며 헤드를 가로 질러 약하고 연속적인 전류가 적용됩니다. 올해 우울증 치료에 효능이 있음을 시사하는 바, 올해 초 인간 시체에 대한 냉담한 시연은 tDCS 전류가 뇌를 전혀 통과하지 못해 진정한 작용 기전에 관한 치열한 논쟁을 불러 일으킬 수 있음을 시사합니다.

사람은 자신이 태어난 뇌를 선택하지 않습니다. 두뇌 자극은 다른 어려움을 겪을 수있는 우울증이나 유사한 장애가있는 환자의 병든 두뇌에서 회로를 고칠 수 있기를 희망합니다. TMS의 모든 임상 시험이 성공할 수는 없으며, tDCS와 같은보다 접근하기 쉬운 기술로 허용되는 가능성에 책임감있게 접근해야합니다. 그러나 의심 할 여지없이, 뇌 자극은 뇌를 제어하는 ​​새로운 시대를 열었습니다. 지금까지는 불가능했습니다.

참고 문헌

Rao, Rajesh PN, et al. "인간과 직접적인 뇌간 인터페이스"PloS one 9.11 (2014) : e111332.

Gothe, Janna, 그 외 여러분. "경 두개 자기 자극에 의해 입증 된 맹인 대상의 시각 피질 흥분성 변화"Brain 125.3 (2002) : 479-490.

Bagdassarin, Carey, 2016 년 10 월 28 일 작성자에게 보내는 전자 메일

Perrin, Jennifer S., et al. "Electroconvulsive therapy는 심각한 우울 장애에서 전두 피질 연결성을 감소시킨다."국립 과학원 회보 109.14 (2012) : 5464-5468.

Fox, Michael D., 외. "우울증에 대한 경 두개 자기 자극 표적의 효능은 subgenual cingulate와의 본질적인 기능적 연결성과 관련이 있습니다."Biological psychiatry 72.7 (2012) : 595-603.

Alonzo, Angelo, et al. "우울증에 대한 초전기 직접 전류 자극 (Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS)) : 몽고메리 – Åsberg 우울증 등급 척도의 3 요소 구조를 사용한 반응 분석"정서 장애 150.1 (2013) : 91-95.

언더우드, 에밀리. "사체 연구는 뇌 자극 방법에 도전합니다."과학 352.6284 (2016) : 397-397.

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