비침습적 뇌자극

해당 글은

'김연희. (2013). 비침습적 뇌자극: 반복 경두개 자기자극과 경두개 직류 전기자극. 대한의사협회지, 56(1), 30-37.'

'채정호. (2018). 우울증에서 비침습적 두뇌 자극 치료 : 경두개 자기자극과 경두개 직류자극. 신경정신의학, 57(2), 119-132.'

'김신태, 김혜원, 김세주 and 강지인. (2017). 반복 경두개자기자극술의 우울증 치료효과 및 최신동향에 대한 고찰. 생물정신의학, 24(3), 95-109.

'Chung SW, Hoy KE, Fitzgerald PB. Theta-burst stimulation: a new form of TMS treatment for depression? Depress Anxiety. 2015 Mar;32(3):182-92. doi: 10.1002/da.22335. Epub 2014 Nov 28. PMID: 25450537.'

'KIM PYUNGKYU and 김도형. (2017). 경두개 직류 자극-정신과적 활용과 현황. 생물정신의학, 24(4), 175-187.'

'Esmaeilpour Z, Marangolo P, Hampstead BM, Bestmann S, Galletta E, Knotkova H, Bikson M. Incomplete evidence that increasing current intensity of tDCS boosts outcomes. Brain Stimul. 2018 Mar-Apr;11(2):310-321. doi: 10.1016/j.brs.2017.12.002. Epub 2017 Dec 13. PMID: 29258808; PMCID: PMC7050474.'

을 참고하였습니다.

 

1. 비침습적 뇌자극(NBS; noninvasive brain stimulation)

- 뇌조직에 손상을 주지 않고 두피에서 뇌를 국소적으로 자극하여 안전하게 신경 조절(neuromodulation)을 구현하는 방법

- 대표적으로 자기를 이용한 반복 경두개 자기자극(rTMS; repetitive transcranial magnetic stimulation)과 전기를 이용한 경두개 직류 전기자극(tDCS; transcranial direct current stimulation)이 있음

반복 경두개 자기자극(rTMS)

 

경두개 직류 전기자극(tDCS)

 

2. 반복 경두개 자기자극(rTMS)

1) 작용 기전 및 특징

- TMS는 코일을 통해 형성된 자기장이 조직 내에서 전기장으로 변하여 특정 강도와 시간에 도달하면 일반적인 전기 자극처럼 신경의 탈분극을 일으키는 원리를 이용하여 대뇌피질을 흥분시킴 (이를 짧은 시간 동안 반복적으로 적용하면 rTMS인 것)

- 대뇌피질 흥분도의 변화 양상은 반복적인 자기자극의 수, 강도, 주파수 및 총 자극 횟수 등에 영향을 받음

  - 1Hz 이하의 저빈도는 대뇌피질의 흥분도를 억제시키고, 5Hz 이상의 고빈도는 흥분도를 증가시킴 (이유는 밝혀지지 않음)

  - 자극의 강도와 대뇌신경 조절 효과는 비례하여 나타남

  - 대뇌피질 흥분도의 지속시간은 자극의 강도나 총 자극 횟수 등에 의해 좌우되는데, 특정 수학적 함수 관계는 아직 밝혀지지 않음

 

- 세타돌발파 자극법(TBS; theta burst stimulation)

  - 50Hz의 고빈도 pulse를 200ms의 돌발파간 간격(inter-burst interval)을 두어(즉, 5Hz로 세타파에 속함) 3회의 돌발파 자극을 시행하는 rTMS 프로토콜 중 하나

  - 간헐적인 TBS(iTBS; intermittent TBS)와 지속적인 TBS(cTBS; continuous TBS)로 나눌 수 있음

    - iTBS

      - 190초 동안 2초의 TBS(30 pulse)를 10초에 한 번 반복하여 총 600 pulse를 가해 피질 흥분성을 증가시킴

      - 따라서, LTP를 통해 촉진 효과를 냄

    - cTBS

      - 300 pulse(20초), 또는 600 pulse(40초)의 TBS가 연속적으로 가해지며 피질 흥분성을 감소시킴

      - 따라서, LTD를 통해 억제 효과를 냄

iTBS와 cTBS

 

2) 임상 적용

a) 뇌졸중

- 상지 운동기능^[각주:1] 향상에 대한 연구

  - TMS를 통해 운동 유발 전위(MEP; motor evoked potentials)^[각주:2]를 측정할 수 있으며, 이를 통해 일차운동피질(M1; primary motor cortex)을 뇌지도화할 수 있음 (이로써 상지 운동기능에 대한 정확한 부위를 알 수 있음)

  - 보고된 단기효과들

    - 급성 및 만성 뇌졸중 환자의 건측 M1에 저빈도 rTMS를 1회 적용해 자극 직후 환측 수부 기능 향상

    - 만성 뇌졸중 환자의 환측 M1에 고빈도 rTMS를 1회 적용해 자극 직후 환측 수부 기능 향상

    - 위의 연구들에서 1회의 rTMS는 운동기능 향상 지속기간이 30분 정도로 짧아 임상적으로 이용하기에 어려운 면이 있음

  - 보고된 장기효과들

    - 5일간 매일 건측 M1에 저빈도 rTMS를 시행했을 때 자극 종료 후 1주까지 환측 상지 운동기능 향상 효과 지속

    - rTMS와 상지 운동훈련을 함께 적용하였을 때 자극 종료 후 1주까지 향상된 환측 상지 운동기능 유지

일차운동피질(M1)

- 편측 무시(unilateral neglect)^[각주:3] 향상에 대한 연구

  - 건측 두정엽에 10일간의 누적 저빈도 rTMS 치료 후 유의미한 편측 무시 향상

  - iTBS를 통한 10일간의 누적 자극 방법이 편측 무시 향상 (LTP)

- 뇌졸중 후 우울증의 감소에 대한 연구

  - iTBS를 좌측 DLPFC^[각주:4]에, cTBS를 우측 DLPFC에 가해서 우울증 환자에서 보이는 좌우의 DLPFC의 불균형을 조정

  - 10일 간의 누적 고빈도 rTMS 치료를 실시가 우울증의 증상 감소에 효과적

배외측 전전두엽(DLPFC)

- 언어기능 향상에 대한 연구

  - 아급성 및 만성 뇌졸중 환자를 대상으로 건측 브로카 상동 영역(Broca homolog)^[각주:5]에 저빈도 rTMS 치료를 10일간 누적 적용하였을 때 언어기능 향상

 

b) 파킨슨병(Parkinson's disease)

- 운동기능 향상에 대한 연구

  - M1, 전운동피질(premotor cortex), 보조운동영역(SMA; supplementary motor area), PFC 등 다양한 영역에 고빈도 및 저빈도 rTMS를 사용하는 다양한 방법으로 계속 연구되고 있음

  - 현재까지는 M1을 고빈도 rTMS로 자극하는 것이 제일 효과적인 것으로 알려짐

 

2) 장점

- 자기자극은 두개골이나 두피와 같이 저항이 큰 물체에 의해 세기가 약화되지 않음

- 두피에서 강한 전류 밀도를 형성하지 않아 통증이 적게 발생함

- tDCS에 비해 보다 국소적 자극이 가능하며 피부 자극이 적음

 

3) 단점 및 조심해야 할 점

- 역치 이상의 강도로 오랜 시간 자극을 주었을 때 사용자가 발작을 일으킬 수 있음

- 자극 중 발생하는 소음 및 안면근육 수축은 사용자에게 불편함을 줄 수 있음

- tDCS에 비해 장비가격이 비싸고 이동이 어려움

 

3. 경두개 직류 전기자극(tDCS)

1) 작용기전 및 특징

- 양극(anodal electrode)과 음극(cathodal electrode)의 2개의 표면전극(surface electrode)을 이용해 0.5~2.0mA의 약한 전류를 두피에 흐르게 하는 뇌자극법 (일반적으로 5×5 cm 이상 크기의 표면전극 사용)

- 두피에 직접 가해지는 0.077~0.200mA/cm²의 전류밀도는 자극받는 부위에 위치한 뇌 피질의 최대 전류밀도를 0.081~0.141mA/cm² 수준으로 높여줌

  - 뇌 피질에 손상을 일으킬 만한 전류밀도로 알려진 14.29mA/cm²보다는 훨씬 낮은 수준이지만, 뇌 활동에 영향을 줄 만한 수준의 전류밀도임

- 이렇게 발생된 전기자극은 피질 신경세포들의 휴지전위(resting potential)에 미세한 영향을 주어 신경세포의 자발방전율(spontaneous discharge rate)을 변화시키는 것으로 알려짐

- tDCS의 양극 자극(anodal stimulation)은 대뇌피질의 휴지전위를 역치전위(threshold potential)^[각주:6]에 가깝게 함으로써 신경세포들의 활성도를 증가시킴

- 반면, 음극 자극은 대뇌피질의 휴지전위를 역치전위로부터 멀어지게 함으로써 신경세포들의 활성도를 감소시킴

 

- 또한, tDCS는 NMDA 수용체를 통해 뇌 활성화에 영향을 주는 것으로 알려짐

  - 이러한 tDCS의 영향은 여러 시간 동안 지속되지만, NMDA 수용체의 길항제(antagonist)인 덱스트로메토르판(dextromethorphan)에 의해 분 단위로 단축됨

- 추가로, tDCS는 시냅스 형성에 중요한 역할을 하는 Ca⁺ 유입과 뇌-유래신경영양인자(BDNF; brain-derived neurotrophic factor)의 유전자 발현에 직접적인 영향을 주는 것으로 알려짐

  - 이러한 tDCS의 영향은 뇌의 발달과 가변성에 중요한 역할을 기대하게 함

  - 하나 더 추가하자면, 신경세포와 달리 별아교세포(astrocyte)의 Ca⁺의 세포 내 유입은 음극과 양극에 따라 차이가 없는 것으로 나타나 신경세포와 신경교세포에 각기 다른 작용을 하는 것으로 보임

 

- 일반적으로 30분 정도의 지속적인 tDCS는 인체에 안전한 것으로 알려져 있으며, 일회의 tDCS 효과는 보통 최대 90분 정도 지속되는 것으로 알려짐

- 고려해야 할 요인들이 많지만, 일반적으로 전류의 세기가 강할수록 효과를 증진시키는 것으로 보임 (두피에 자극은 더 가해지겠지만)

 

2) 임상 적용

a) 뇌졸중

- 운동 기능 향상에 대한 연구

  - 뇌졸중 환자의 환측 운동 영역에 양극의 tDCS를 적용한 결과 환측 수부 기능 향상

  - 아급성 및 만성 뇌졸중 환자에게 tDCS를 운동치료와 함께 적용하였을 때 상지 운동 기능의 단기 및 장기적 향상

- 언어 기능 향상에 대한 연구

  - 2mA 강도의 음극 자극을 비우성 대뇌반구(nondominant hemisphere)^[각주:7]인 우측 베르니케 상동 영역에 하루 30분간 일주일에 5일씩 2주일간 실시하였을 때 언어 이해능력 호전

언어기능을 담당하는 브로카 영역과 베르니케 영역은 모두 좌반구(left hemisphere)에 존재

 

b) 주요 우울장애(MDD; major depressive disorder)

- MDD 환자들의 좌측 DLPFC를 양극으로, 우측 DLPFC를 음극으로 전기자극을 주어 양쪽 뇌의 균형을 맞추어 주었을 때 주의력, 작업기억력, 집행 기능(executive function) 등의 인지 능력이 개선됨

 

c) 양극성 장애(bipolar disorder)

- 조증 삽화(maniac episode)보다는 우울 삽화(depressive episode)의 완화에 대해서만 연구 성과가 있음

- 또한, tDCS 자극으로 인한 조증(treatment-emergent mania)이 유발되는 부작용 사례가 존재하기도 함

 

d) 조현병(Schizophrenia)

- 언어성 환청(AVH; auditory verbal hallucination)과 음성 증상(사회장애나 정서적 둔마 등)은 저하된 DLPFC와 과활성화된 좌측 측두-두정(temporal-parietal) 부분들이 원인으로 알려짐

- 좌측 DLPFC에 양극 자극, 좌측 측두-두정 부분에 음극 자극을 적용하는 방식으로 연구 진행 중

 

e) 중독(Addictive disorder)

- 중독 대상에 대한 금단·갈망 증상의 억제 작용은 주로 DLPFC 주변부를 중심으로 이루어짐

- 좌측 DLPFC에 음극 자극, 우측 DLPFC에 양극 자극을 적용해 억제 작용 활성화

 

f) 강박 장애(OCD; obsessive-compulsive disorder)

- OCD는 정확한 원인은 밝혀내지 못했지만, pre-SMA에서 과활성화가 일어나는 것이 원인으로 알려짐

- 실제로 pre-SMA에 음극 자극을 적용했을 때 강박 장애 향상

pre-SMA, SMA, M1의 위치

 

g) 주의력결핍과다행동장애(ADHD; attention-deficit hyperactivity disorder)

- ADHD 환자의 우측 DLPFC가 비활성화되었다는 fMRI 연구 결과를 기반으로, 2.0mA의 전류로 좌측 DLPFC에 음극 자극과 우측 DLPFC에는 양극 자극을 20분 주었을 때 집중력 증가 결과

 

h) 자폐 스펙트럼 장애(ASD; autism spectrum disorder)

- 정상인보다 오른쪽 뇌 구조가 왼쪽보다 크며, 왼쪽 뇌 활동이 오른쪽보다 낮은 것으로 밝혀짐

- 1.0mA의 양극 전류를 좌측 DLPFC에 20분간 적용시켰을 때 ASD 치료에 효과 확인 (24시간 지속)

 

3) 장점

- TMS에 비해 상대적으로 시술이 간단함

- TMS에 비해 뇌의 깊은 부위도 자극이 됨

  - 하지만, 두뇌의 심부까지 자기자극이 전달될 수 있도록 특별하게 고안된 형태의 코일을 사용하는 심부 TMS(dTMS; deep TMS)도 제안되고 있음

 

4) 단점 및 조심해야 할 점

- 뇌의 넓은 부위를 자극하여 국소 자극이 힘듦

- 가려움, 간지러움, 두통, 열감 등이 나타날 수 있음

- 약한 전류더라도 피부에 직접 전기를 가하기 때문에 피부조직에 변화를 줄 수 있음

 

 

 

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1. 팔 근육을 움직이는 기능 [본문으로]
2. 운동피질 부위에 비침습적 자극을 주었을 때 발생하는 근전도적 연축(twitch) [본문으로]
3. 뇌 병변의 반대쪽 공간으로 집중을 옮기기가 어렵고, 신체 정위(orientation)에 편위(bias)가 생기는 신경학적 질환 [본문으로]
4. 배외측 전전두엽(dorsolateral prefrontal cortex) [본문으로]
5. 브로카 영역은 좌반구 전두엽에 존재하는 영역으로써 언어 생성을 제어하고 말을 하는 기능을 담당함 [본문으로]
6. 일반적으로 -55mV 내외 [본문으로]
7. 대뇌의 두 반구가 서로 다른 기능들을 담당함. 특정 기능에 대한 반구를 우성 대뇌반구라고 하며 나머지 반구는 비우성 대뇌반구라고 함 [본문으로]