피질 자극 매핑

피질 자극 매핑
목적	특정 뇌 영역의 기능을 국소화하는 것을 목표로 한다.

피질자극지도법(CSM)은 물리적으로 침습적인 시술이 수반되는 전기고문학의 일종으로 대뇌피질의 직접적인 전기자극을 통해 특정 뇌 영역의 기능을 국소화하는 것을 목적으로 한다.^[1] 그것은 뇌를 분석하는 가장 초기 방법 중 하나로 남아 있으며, 연구자들이 피질 구조와 전신 기능의 관계를 연구할 수 있게 했다.^[2] 피질 자극 매핑은 다수의 임상 및 치료 용도에 사용되며, 불필요한 기능 손상을 방지하기 위해 운동 피질 및 언어 영역의 수술 전 매핑에 선호되는 방법으로 남아 있다.^[3] 간질 치료와 같이 피질 자극 지도 제작을 위한 임상 응용도 있다.^[4]

역사

피질 자극 지도 제작의 역사는 19세기 후반으로 거슬러 올라간다. 신경과 의사인 데이비드 페리어와 빅터 호슬리는 이 기술을 처음으로 사용한 사람들 중 일부였다.^[2] 페리어와 호슬리는 CSM을 고용하여 중앙회 및 중앙회 이전의 구조와 기능을 더 자세히 파악했으며, 중앙회 및 중앙회 이후의라고도 한다. 보다 발전된 방법의 개발 이전에, 1888년 C.B. 낸크레드는 운동 피질을 지도화하기 위해 배터리로 작동하는 양극성 탐침을 이용했다.^[2] 1937년, 와일더 펜필드와 볼드레이는 중앙 전 회전을 자극하는 것이 대조적으로 반응을 이끌어냈다는 것을 보여줄 수 있었다; 그것이 뇌의 어느 부분이 자극을 받았는지에 근거한 해부학적 구조와 관련이 있다는 점에서 중요한 발견이었다.^[2] 1900년대 초 찰스 셔링턴은 모터 반응을 이끌어내기 위해 독점자 자극을 사용하기 시작했다.^[2] 이 기법을 통해 셔링턴은 중심 전회(역도 이전 영역)가 운동 피질이고 중심 후회(역도 이후 영역)가 감각 피질임을 판단할 수 있었다. 1900년대 초 Harvey Cusing에 의해 반복된 이러한 발견은 Rolandic fissure가 모터와 감각 피질 사이의 분리점임을 보여준다. CSM과의 쿠싱의 연구는 그것을 실험적인 기술에서 뇌를 지도하고 간질을 치료하는 데 사용되는 주요 신경외과 기술이 되는 기술로 이동시켰다.^[5] 쿠싱은 이전에 동물, 특히 침팬지와 오랑우탄에게 행해졌던 일을 맡았고, 이러한 종과 인간의 차이를 설명하기 위해 피질 자극 지도를 활용할 수 있었다.^[5] 쿠싱의 연구는 이제 신경외과의사들이 뇌의 보다 최신화된 사진을 활용하고 있었기 때문에 피질 자극 매핑을 활용한 치료의 효과를 극적으로 높였다.^{[citation needed]}

절차

피질 자극 매핑은 개두술 중에 완료해야 하는 침습적 시술이다. 듀라 모터가 벗겨지면 전극을 뇌에 올려 특정 뇌 부위에서 운동, 감각, 언어 또는 시각 기능을 시험한다. 전극은 뇌 표면에서 2초에서 10초까지 지속되는 전류를 전달하여 특정 뇌 위치에서 가역성 병변을 일으킨다. 이 병변은 사지의 움직임이나 물체를 식별할 수 있는 능력과 같은 테스트 가능한 반응을 예방하거나 생성할 수 있다. 전극에서 나오는 전류는 뇌의 특정 부위가 담당하는 모든 기능을 자극하는데, 본질적으로 외과의사나 검사자에게 뇌의 특정 부위가 하는 일을 알려준다.^[6]

전극은 보통 스테인리스강이나 백금이리듐이 실탄재료로 내장되어 있으며, 보통 2~3mm의 직경으로 원형이다. 전극 위치는 환자마다 다르며, 전극이 일렬로 오거나 격자 배열로 오거나 개별적으로 배열할 수 있다. 필요한 전극의 수와 정확한 공간 배치는 수술실에서 결정되는 경우가 많다.^[1] 피질 자극 매핑은 뇌 기능을 테스트하고 뇌 위치의 자극이 환자에게 기능 장애를 일으키는지 여부를 확인하기 위해 전극을 정확한 위치에 배치할 수 있도록 한다.^[7] CSM은 마취된 환자 또는 깨어있는 환자를 사용하여 완료할 수 있다.^[1]

전극은 관심 있는 뇌 부위에 직접 배치하거나 뇌의 경막하 공간에 배치할 수 있다. 경막하 전극은 약간 움직일 수 있으며 경막하 공간의 뇌척수액에 의해 영향을 받을 수 있으며, 이는 전극에서 뇌를 자극하는 데 사용되는 전류를 방해하고 전류를 션트시키고 소멸시켜 자극의 효과를 덜 정확하게 만들 수 있다. 다만 경막하 전극 그리드의 장점은 뇌에 여러 날 방치할 수 있고, 수술실 밖에서 자극을 받는 동안 기능 테스트가 가능하다는 것이다.^[1]

현재 수준과 밀도는 모든 피질 자극 매핑 절차에서 중요한 고려사항이다. 뇌의 정의된 영역에 적용되는 전류량인 전류 밀도는 뉴런을 효과적으로 자극하기에 충분해야 하며 너무 빨리 사라지지 않아야 하지만 뇌 조직이 손상되는 전류로부터 보호하기에 충분히 낮아야 한다. 전류는 안전하다고 결정된 수준으로 유지되며 짧은 버스트(일반적으로 폭발)로만 제공되며, 이 버스트는 반응(근육 운동 등)을 테스트할 수 있을 때까지 강도와 지속 시간이 서서히 증가한다. 전류 강도는 보통 1mA의 버스트를 중심으로 설정하여 시작하며 0.5~1mA의 증분만큼 점진적으로 증가하며, 전류를 몇 초간 적용한다. 만약 적용된 전류가 자극 후에 일어나는 신경 자극인 후분비를 일으킨다면, 그 수치는 낮아진다. 피질 자극 맵핑을 받은 환자에 대한 연구는 실험된 영역에서 피질 손상을 발견하지 못했다.^[1]

마취에 대한 다양한 종류와 투여 기법이 피질 자극 매핑에 영향을 미치는 것으로 나타났다. CSM은 깨어있는 환자들, 깨어있는 두개골 절제술이라고 불리는 환자들 또는 전신마취에 걸린 환자들을 대상으로 수행될 수 있다. 전신마취 상태일 경우 신경근 차단제로 인해 근육 이완 정도가 너무 높으면 지도제작 결과가 부정확할 수 있기 때문에 마취의 깊이가 결과에 영향을 미칠 수 있다.^[8] 깨어 있는 절차의 경우 마취과 의사가 반드시 고려해야 하는 환자 치료에 대한 고려사항이 서로 다르다. 단순히 환자가 잠들었는지 확인하는 것 보다 의사는 잠 깨는 기술이라고 하는 것을 따를 수 있다. 이 기법에서는 시술의 개폐부위에서는 전신마취를 이용하여 마취하지만, 중간중간 국소마취를 이용하여 환자를 유지한다.^[4] 국소 마취 기법은 두피의 국소 장 블록이나 국소 신경 블록이 될 수 있다.^[4] 깨어있는 두개골절제술의 더 일반적인 기술은 의식적 진정이다. 의식적인 진정작용에서 환자는 개폐 과정 중에만 진정제를 투여할 뿐, 결코 완전히 마취된 적이 없으며, 호흡관의 필요성을 없애고 합병증의 가능성을 줄이며, 운동 반응에 문제가 생길 가능성을 줄인다.^[4] 전신마취 대신 깨어있는 개두술로 수술을 받는 환자는 언어기능의 보존, 피질학에 근거한 발작 없는 결과의 예측, 입원기간 단축(치료비 절감에 해당), 침습적 감시기 사용 감소, 사후관리자 수 감소 등이 있다.메스꺼움과 구토와 같은 마취로 인한 유인 ^[4]합병증

소마토피

피질 자극 맵핑은 체질이 다른 신경섬유를 통해 연결되는 대뇌피질의 영역을 결정하는 데 사용된다. 피질 자극은 뇌의 어떤 부위가 특정 기능에 중요한지 식별하여 뇌 부위가 제거하기에 안전한지 결정하는 데 사용할 수 있는 '지도'를 만들 수 있다. 피질 자극 지도는 운동과 감각 피질에 대한 호문쿨루스(homunculus)의 발달로 이어졌는데, 이것은 신체의 다른 부위에 대한 뇌의 연결을 보여주는 도표다. 일차 운동 피질의 피질 호문쿨루스와 중심 설커스에 의해 분리되는 소마토센서리 피질이 그 예다. 다이어그램은 세로 방향의 틈새에서 시작하여 뇌의 중심에서 횡방향으로 계속되며, 갈라진 부분의 하지와 생식기에서부터 뇌의 바깥쪽 가장자리에 있는 손과 얼굴까지의 일반적인 패턴을 나타낸다.^[2]

모터 매핑

피질 자극 중 이동에 대한 기능 시험에는 능동적 움직임과 이동 억제가 포함된다. 전두엽의 중앙전회(precental gyrus)가 자극을 받으면 전기신호를 받는 뇌의 위치에 따라 신체의 특정 근육이 수축한다. 뇌의 한쪽에 자극을 주면 몸의 반대쪽, 즉 반대쪽이 수축한다.^[2]

CSM을 이용한 보다 최근의 연구는 전통적인 호문쿨루스를 그린 배열보다 운동 피질이 더 복잡하며, 중심 설커스 옆의 좁은 스트립에서 더 멀리 떨어진 전두엽에서 운동 반응이 일어난다는 것을 보여주었다.^[1]

자극에 따른 움직임을 억제하는 피질의 영역은 어떤 경우에는 보완적이며 운동 기능에 필수적이지 않은 것으로 밝혀졌다. 이러한 부위는 수술 후 환자의 이동 능력을 손상시키지 않고 제거되었다.^[1]

언어 매핑

자극 중에는 읽기 문장, 청각 이해력, 사물 명명 등 자연발언과 같은 뇌기능을 점검하기 위해 다양한 언어과제가 사용된다.^[1] 뇌의 언어영역에서 피질 자극은 일반적으로 정의된 운동이나 감각반응이 아닌 일부 언어능력의 억제를 시험한다. 이는 자극받은 사이트가 특정 언어 능력에 필수적인지 판단하기 위해 언어 매핑을 테스트하는 동안 더 복잡한 언어 관련 작업이 필요하게 만들 수 있다.^[6]

언어 지도는 보통 브로카 영역이나 베르니케 영역과 같이 대부분의 언어 영역이 위치한 뇌의 좌뇌에서 이루어진다. 피질 자극 지도는 또한 이전에는 알 수 없었던 기저 측두피질 내 언어 영역을 확인했다.^[6]

간질 환자의 피질 자극 지도는 뇌의 중요한 언어 영역이 환자마다 크게 다르다는 것을 보여주었고, 언어 영역의 수술에 앞서 정확한 지도를 수행해야 할 필요성을 강조하였다.^[9] 브로카 지역과 베르니케 지역과 같은 전통적인 명소들은 필수적인 언어 피질을 구별하는데 의존할 수 없다. 오히려 활력 있는 언어 사이트를 시험한 실험은 가변적이며, 언어 과제에서 특정 피질 영역의 정확한 역할은 판단하기 어렵다. 더 복잡한 문제는 언어 지도를 받은 많은 환자들이 간질을 가지고 있고 이것이 언어 사이트에 변화를 일으킬 수 있다는 것이다. 그 절차는 매우 침습적이기 때문에, 언어 조직을 위한 피질 자극 지도는 건강한 개인에게 행해지지 않는다. 또한 특정 직무 관련 언어 사이트의 분포와 풍부함은 IQ와 성별에 따른 변화를 보여주었다.^[6]

소마토센서리 매핑

소마토센서리 매핑은 피부의 압력에 반응하는 기계수용체 등 말초신경의 자극 결과로서 뇌 표면의 전기반응을 측정하고, 감각영역을 지도화하도록 뇌를 직접 자극하는 것을 포함한다. 감각은 중앙회(Postcentral gyrus)의 자극을 통해 환자에게 테스트되었으며, 감각 반응의 진폭은 중심 설커스를 향해 발생한다.^[2]

임상 애플리케이션

뇌전증

CSM은 초점성 간질, 양자 또는 다발성 발작에 효과적인 치료법이다.^[10] 환부를 제거하기 위한 절제수술이 선택사항이 아닐 때 효과적인 치료 옵션으로, 일반적으로 양방향 또는 다발성 발작에 초점을 두고 볼 수 있다.^[10] CSM은 발작의 초점을 맞추기 위해 간질 환자들에게 일상적으로 이용된다. 그것은 덜 침습적인 절차인 뇌뇌파 사진을 통해 결정되는 간질 유발 구역의 뇌 위치에 관한 시험 가능한 가설이 있는 경우에 사용된다. 일단 발작의 초점이 결정되면, 이 정보는 신경외과의사들이 수술 후 부정적인 신경학적 결손 없이 뇌의 어떤 부분을 절제할 수 있는지를 아는 데 도움을 준다.^{[citation needed]}

두 가지 조건이 충족되면 간질 환자의 경우 CSM이 고려될 것이다. 즉, 항감소 약물 실험은 발작을 통제하지 못했으며, 수술로 환자에게 이익이 될 가능성이 있다.^[4] 절차의 특성상 비침습적 시술이 환자를 완전히 국소화하고 치료할 수 없는 경우에만 CSM을 활용한다.^[11]

침습성 전극은 입체적으로 배치된 전극 또는 경막하 스트립 또는 격자형 전극이다.^[11] CSM을 통해 얻은 정보를 활용하여 간질 유발 뇌에 대한 제한적 절제술을 실시할 수 있다.^[4] 초점성 간질의 경우 절제수술은 약물 내성 간질의 주요 치료 방법 중 하나이다.^[10] 일반적으로 깨어있는 개두술을 사용하는 CSM의 기술을 통해 신경외과 의사는 뇌의 절제술과 자극 동안 환자의 기능을 감시할 수 있는 능력을 갖게 된다.

신경-종양학

피질 자극 매핑은 언어 및 운동 경로와 같은 기능에 중요한 환자의 뇌 영역을 식별하는 도구로 신경 종양학에서 사용될 수 있다.^[12] 이 절차는 운동기능의 상실과 전반적인 병리성을 줄이기 위해 교량마스를 포함하는 작동에 대한 표준으로 간주된다. 수술 전 계획은 의사가 종양 절제술 동안 이러한 고위험 영역을 최대한 피할 수 있게 해줌으로써 기능 상실과 후속 치료의 발생 가능성을 최소화한다.^[13]

외과의사가 회전 부위의 해부학적 구조와 기능을 평가하기 위해 피질 자극 지도를 사용하는 환자들은 이 기술을 회피하는 수술을 받은 환자들보다 수술 후 기준 기능을 회복할 가능성이 더 크고 빠른 비율을 가진다.^[14] 교모종 절제술 전 피질 자극술로 언어영역을 매핑하는 것도 같은 맥락일 수 있다. 언어영역 운영의 피해를 평가하고 최소화하면 전체 언어기능이 더 크고 빠르게 복귀하게 된다.^[15]

이러한 웅변적인 피질 영역을 보존함으로써 얻는 기능적 이득에도 불구하고, 유익성 대 위해성 요인은 여전히 고려되고 있다. 보다 완전한 종양 절제술은 교모종 환자의 기대수명을 증가시킬 가능성이 있는 것으로 밝혀졌지만, 제거된 뇌조직의 양을 증가시키면 기능 저하를 초래할 수도 있다. 이와 같이 피질 자극 매핑은 환자의 삶의 질을 유지하면서 제거할 수 있는 조직의 최대 양을 결정하는 데 도움을 준다.^[16]

비전

후두피질 매핑은 시각장애인을 위한 보형물 개발에 사용할 수 있다. 후두엽의 전기 자극은 펜필드와 재스퍼의 초기 실험에서 관찰된 빛, 색상, 그림자 등 포스페네스라고 불리는 시각적 환상을 유발하는 것으로 밝혀졌다.^[1] 인공 시력을 처음 기록한 것은 브린들리와 도벨의 실험에서였는데, 시각장애 환자들이 피질 자극을 통해 작은 캐릭터를 '보이게' 할 수 있었다.^[17] 후두엽의 전기 자극도 대개 환자의 시야의 중심에 작은 색상의 원을 생성하는 것으로 알려져 있다.^[1] 기하학적 무늬를 움직이는 것과 같은 시각적 환각과 색색의 포스페네도 피질 자극으로 관찰되었다. 후두피질 표면의 전극은 깜박이는 포스페인을 생성하는 경향이 있는 반면, 피질 깊숙한 곳에 삽입된 전극은 일정한 색상을 생성한다.^[18] 보다 복잡한 영상을 생성하는 역할을 하는 1차 시각 피질은 후두엽의 캘카린 균열 내에 더 깊숙이 위치하기 때문에 이러한 부위를 효과적으로 자극하기 위해서는 경내 자극이 필요하다. 신경내 자극은 의도하지 않은 시각신호, 통증, 신경조직의 손상을 유발할 수 있는 뇌의 표면에서만 작용하려고 하는 것과는 반대로 뇌 깊숙이 깊숙이 들어가 1차 시각피질을 더욱 효과적으로 자극하는 전극을 사용한다.^[17]

녹내장과 시신경 위축증 환자의 경우 기존 망막 보형물은 시신경이 손상돼 옵션이 아니므로 피질자극을 이용한 보형물은 시력 기능을 제공할 수 있는 남은 희망사항이다. 피질 시각 보형물은 대부분의 맹인 환자에게서 질병 부위를 지나는 뉴런을 대상으로 하기 때문에 연구 대상이 될 가능성이 높다. 그러나 다른 환자에서의 재현성, 전기 자극의 장기적 영향, 1차 시각 피질에서 망막의 그것과 비교하여 시각적 조직의 더 높은 복잡성과 같은 중요한 난제가 남아 있다.^[17]

피질자극을 이용한 시력 보형물을 위한 또 다른 연구 분야는 시신경 자체로, 완전한 시력장을 담당하는 신경섬유가 들어 있다. 이 영역에서는 아직 연구가 진행 중이고 시신경의 작은 크기와 신경섬유의 고밀도가 이 접근법에 대한 도전을 계속하고 있다.

피질자극 매핑 대 초전도자극

피질 자극 지도(CSM)는 뇌의 기능 영역을 매핑하여 환자의 기능적 결과를 극대화하는 사전 수술 계획을 수립하는 데 있어 금본위제로 꼽힌다.^[3] 유익한 결과의 이력과 CSM 기법에 대해 이미 확립된 정보의 양은 임상 및 연구 적용에 유리하게 된다. 다만 수술 기법이라는 단점이 있기 때문에 선호되는 방법으로서의 위상에 대한 논란이 커지고 있다. 대신 수술 위험이 같은 양으로 전달되지 않는 새로운^[when?] 시술인 초전도자기 자극(TMS)이 검토되고 있다.^{[by whom?]}

특히 비침습적 성격이 CSM보다 유리하기 때문에 초자연적 자기 자극은 특정 피질 영역과 뇌 기능 사이의 관계를 연구하기 위한 대안 도구로서 관심이 높아지고 있다.^[19] 또한, TMS의 많은 의학적 용도를 조사하는 데 초점을 맞춘 연구의 증가하는 기관 때문에, 그것은 결국 CSM보다 더 많은 응용을 할 수 있을 것이다. 예를 들어, 이 절차는 중심 운동 경로에서 전도 속도를 측정하는 데 성공적으로 사용되어 다발성 경화증을 연구하는 사람들에게 유용한 도구가 되었다.^[20] 이와 유사하게, TMS는 또한 뇌졸중 회복을 돕는 수단으로서뿐만 아니라 주요 우울증과^[21] 같은 만성 정신 질환을 치료하기 위한 장기적이고 비용 효율적인 치료 대안으로 연구되고 있다.^[22] 그러나 치료용 TMS는 전반적으로 유망하지만, 그 성공은 여전히 불분명하고 많은 연구에서 입증되지 않았다. 이것은 장기 TMS 치료를 받은 파킨슨병 환자에 대한 연구와 관련된 사실이다. 처음에는 이러한 피험자가 모터 조정 시험에서 향상된 성능을 얻은 것처럼 나타났지만, 이러한 결과는 일관되지 않게 재현 가능하다.^[23] TMS로 치료받은 조현병 환자의 인지성능이 변동성이 크다는 사실이 밝혀진 조현병 연구에서도 같은 유형의 결과가 나타난다. 그러한 결과는 TMS의 효과에 대한 증거가 부족하고 이 기법의 신경생물학적 메커니즘이 여전히 잘 이해되지 않음을 시사한다.^[24] 이러한 불확실성 때문에, 이 방법에 대한 연구는 계속 진행 중이며 뇌의 활성화 상태에 대한 정확한 영향에 대해서는 아직 결정되지 않았다. 상대적으로, 더 연구된 기술의 장점을 가진 CSM이 여전히 선호되는 경우가 많다.^{[by whom?]}

두 가지 방법 모두 안전성을 고려해야 한다. 지금까지 식품의약품안전청(^[when?]FDA) 지침은 우울증 치료에 TMS를 사용하는 것만을 승인했다.^[25] 이 기법은 보고된 몇 건의 유도 발작 사례 외에는 알려진 지속적인 부작용은 없지만, 임상 사용 시 비교적 새로움 때문에 여전히 주의 깊게 치료되고 있다.^[26] CSM은 특히 발작 및 교모종 치료의 경우 피질 자극 지도 제작에 관한 사용과 뇌 내 전극 배치 지원에 대한 미국 FDA 승인을 획득했다.^[27]

참조