온도 감각 처리하는 새로운 두뇌 영역 찾았다
온도 감각 처리하는 새로운 두뇌 영역 찾았다
  • 김수아 기자
  • 승인 2018.02.12 12:10
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표준연, 뇌자도 통해 온도 감각 인지과정의 비밀 밝혀, 단위로 정의할 수 없는 ‘감각의 표준화’ 연구 첫발
KRISS 김기웅 책임연구원(왼쪽) 연구진이 순수 온도자극에 대한 뇌자도 측정결과를 분석하고 있다.(사진:표준연)
KRISS 김기웅 책임연구원(왼쪽) 연구진이 순수 온도자극에 대한 뇌자도 측정결과를 분석하고 있다.(사진:표준연)

국내 연구진이 자체 개발한 첨단 뇌기능 측정장치를 이용하여 두뇌의 새로운 온도 감각 영역을 밝혀내는 데 성공했다. 한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열) 첨단측정장비연구소 김기웅 책임연구원 연구진은 초고감도의 뇌자도 장치(MEG, MagnetoEncephaloGraphy)를 이용하여 대뇌의 일차 체성감각 영역(S1)이 순수 온도 감각을 처리한다는 사실을 세계 최초로 보고했다.

참고)체성감각 영역(Somatosensory Area): 대뇌 피질에서 촉각, 통각 등 체감(體感)에 대한 인지를 담당하는 부위이며 일차(S1), 이차(S2) 등의 영역으로 나뉨.

인체의 오감 중 외부 자극에 반응하는 촉각은 통증을 인식하는 데 중요한 역할을 한다. 따라서 촉각 신경을 측정하는 것은 통증 질환을 진단하는 것과 같다. 특히 촉각 신경 중 가장 빨리 손상을 알 수 있는 부분은 상대적으로 세포 밀도가 낮은 온도 신경이다. 온도 감각을 느끼는지만 정확히 측정해도 신경 손상을 알아차리고 질병을 조기 진단할 수 있는 것이다. 신경 세포의 밀도가 낮으면 특정 세포가 손상됐을 때 대신 작동할 수 있는 주변 세포가 부족하다. 즉 세포 밀도가 낮은 온도 신경은 미세한 손상으로도 뇌에 해당 자극을 전달할 수 없다.

[첨부1] 피부에 온도 자극을 가하면 뇌의 신경전류원에서 자기장이 발생한다. 연구진은 자기장이 발생하는 정확한 위치를 분석함으로써 기존에 알려진 부위(cSII) 이외에도 일차 체성감각 영역(S1)이 순수 온도 감각을 처리함을 밝혀냈다.
[첨부1] 피부에 온도 자극을 가하면 뇌의 신경전류원에서 자기장이 발생한다. 연구진은 자기장이 발생하는 정확한 위치를 분석함으로써 기존에 알려진 부위(cSII) 이외에도 일차 체성감각 영역(S1)이 순수 온도 감각을 처리함을 밝혀냈다.

KRISS 김기웅 책임연구원 연구진은 초전도양자간섭소자(SQUID)를 기반으로 개발한 뇌자도 장치를 이용, 통각을 동반하지 않는 순수 온도 자극에 대한 두뇌 반응을 측정하였다. 그 결과, 대뇌의 일차 체성감각 영역(S1)이 순수 온도 자극에 반응한다는 사실을 최초로 입증한 것으로 연구진은 온도 자극만 주기 위해 피부에 직접 닿지 않는 레이저 자극장치를 개발하였다. 이 장치는 피부 표피 흡수를 최소화하고 온도 신경까지 자극이 도달하도록 빛의 파장이 특수 설계되었다.

참고)스퀴드(SQUID, Superconducting QUantum Interference Device, 초전도양자간섭소자): 초전도 현상을 이용한 정밀측정소자이다. 스퀴드는 양자역학적인 측정한계에 도달하는 수준의 초고감도 센서로서, 스퀴드를 이용한 자기장 센서는 지구 자기장의 100억분의 1 정도의 미약한 자기장 변화까지 측정할 수 있다. 스퀴드 센서는 인류가 개발한 자기장 센서 중에서 감도가 가장 높으며, 뇌 및 심장 등에서 발생되는 미약한 자기장 측정에 필수적이다.

뇌자도 측정장치로 순수 온도자극에 대한 뇌의 반응을 측정하고 있다(사진:표준연)
뇌자도 측정장치로 순수 온도자극에 대한 뇌의 반응을 측정하고 있다(사진:표준연)

지금까지 학계에서는 대뇌의 이차 체성감각 영역(S2)만이 순수 온도 감각을 처리한다고 알려져 있었다. fMRI(functional Magnetic Resonance Imaging, 기능적 자기공명영상) 장치가 간접적으로 S1의 처리 가능성을 시사한 적은 있지만, 이를 입증할만한 신경의 전기적 활동을 측정하지 못해 논란이 있었다. 뇌자도는 온도 자극시 뇌에서 자기장을 발생시키는 신경전류원의 정확한 위치를 분석할 수 있다. 그래서 뇌전도나 fMRI 등 다른 측정 장치에서 보이지 않는 새로운 반응영역을 찾을 수 있다.

현재는 통증 강도에 대해 환자가 1부터 10까지 응답하는 매우 주관적인 설문 방법을 사용하고 있다. 뇌자도를 이용한 이번 연구결과는 인간의 감각 과정을 설문지 응답 대신 신경생리학적 두뇌 반응에 기반한 객관적인 지표로 측정한다는 것에 중요한 의미를 갖는다. 김기웅 책임연구원은 “한국표준과학연구원이 이제는 첨단의료장비 개발뿐만 아니라 이를 활용한 자체적인 뇌과학 연구역량까지 인정받게 되었다”라며 “현재 단위로 정의할 수 없는 인간의 감각을 표준화하는 미래 측정표준에 한 걸음 다가서게 되었다”라고 말했다.

한편 이번 연구결과는 최고 수준의 뇌과학 전문 학술지 ‘휴먼 브레인 매핑(Human Brain Mapping)’에 1월 24일 온라인 게재되었다.(논문명:Magnetoencephalographic study of event-related fields andcortical oscillatory changes during cutaneous warmth processing)(논문 다운받기)


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