운동피질의 역치하 반복경두개자기자극 후 교감신경피부반응
충남대학교 의과대학 재활의학교실
손민균∙김봉옥∙이미영∙윤기석
– Abstract –
The Effect of Subthreshold Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation of Motor Cortex on the Sympathetic Skin Response
Min Kyun Sohn, M.D., Bong Ok Kim, M.D., Mi Young Lee, M.D., Ki Seok Yoon, M.D.
Department of Rehabilitation Medicine, Chungnam National University College of Medicine
Objectives: To explore the effect of subthreshold intensity repetitive transcranial magnetic stimulations (rTMS) over the primary motor cortex on the sympathetic skin response according to the stimulation fre- quency.
Methods: 1 Hz and 20 Hz rTMS were applied on the motor cortex of the left hand at 90% intensity of resting motor threshold respectively in twelve healthy volunteers. We evaluated sympathetic skin response on the bilateral palms and soles before and immediately, 30 minute and 60 minute after rTMS application.
Results: There were no significant changes of latencies and amplitudes of the sympathetic skin response in the both palms and soles after low and high frequency rTMS on the motor cortex.
Conclusion: Sub-threshold rTMS over the hand motor cortex does not seem to effect on the sympathetic skin response.
Key Words: Sympathetic skin response, rTMS
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서 론
경두개자기자극(transcranial magnetic stimula- tion)은 코일에서 발생한 짧고 강한 자장이 대뇌피질 신경 조직에 침투하여 전류를 유발하고 피질세포를 탈 분극시키는 것으로 반복경두개자기자극은(repetitive transcranial magnetic stimulation) 이러한 자극을 뇌의 특정한 위치에 반복적으로 행하는 방법이다.1 일반 적으로 반복경두개자기자극을 대뇌피질에 시행할 경우 피질척수로의 흥분도를 변화시키는데 1 Hz 이하의 저 빈도는 대뇌피질의 흥분도를 억제시키는 반면에 5 Hz 이상의 고빈도는 대뇌피질의 흥분도를 증가시킨다. 대 뇌피질의 흥분도는 자극 후 일정 기간 동안 유지되며,
이는 자극의 강도와 빈도에 영향을 받는 것으로 알려져 있다.2
자율신경계는 신체 내외부의 자극에 항상성을 유지하 는 기능을 담당하고 있다. 중추신경병변이나 말초신경 병변, 통증, 노인병에서 자율신경계의 이상 소견이 빈 번이 관찰되며, 심혈관계 및 자율신경계 질환들과 자율 신경 기능과의 연관성에 대한 관심이 높아지면서 최근 자율신경계 이상의 적절한 진단 및 치료에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.3
반복경두개자기자극이 자율신경계에 미치는 영향에 대한 연구로 Yoshida 등4은 정상인에서 0.2 Hz의 저 빈도 반복경두개자기자극이 교감신경계에 의해 중재된 다고 알려진 기립시 심박간변이의 저주파수 영역을 일
시적으로 상승시켜 반복경두개자기자극이 교감신경계를 활성화시킨다 하였으며, Niehaus 등5은 고빈도의 반복 경두개자기자극에 의해 동공이 일시적으로 확대되는 것 을 관찰하여 대뇌피질의 반복적인 경두개자기자극이 교 감신경을 항진시킨다고 보고하였다. 그러나 Foerster 등6은 20 Hz의 고빈도 반복경두개자기자극을 대뇌피질 에 시행한 결과 자극 부위에 관계없이 일시적으로 심박 수와 혈압이 상승하는데, 같은 반응이 위 자극을 가하 면 약하게 상완신경총을 자극하면 그 정도가 더 커져 자기자극이 직접적으로 자율신경 중추를 자극하는 것보 다는 비특이적인 각성반응(arousal reaction)이라고 해석하였다. 동물실험에서는 Hong 등7은 실험용 쥐에 10 Hz의 고빈도 반복경두개자기자극이 오히려 교감신 경계를 억제하여 심박수와 혈압을 일시적으로 떨어뜨린 다고 하였다. 그러나 인체에서 반복경두개자기자극이 교감신경피부반응에 미치는 영향을 직접적으로 측정한 연구는 찾아보기 힘들다.
이에 본 연구에서는 동일한 조건하에서 주파수만을 차이를 두어, 고빈도 및 저빈도 반복경두개자기자극과 정량적인 검사방법인 교감신경피부반응 검사를 이용하 여 반복경두개자기자극이 교감신경계에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
연구대상 및 방법
1. 연구대상
중추신경계나 말초신경질환의 과거력이 없는 건강한 오른손잡이 성인 남녀 12명을 대상으로 하였으며, 연령 분포는 23세부터 29세까지로 평균연령은 26±4.7세였 고, 신장은 평균 167.4±8.5 cm였다.
2. 연구방법
1) 반복경두개자기자극
연구 대상자의 양팔을 이완시켜 팔걸이에 얹힌 채 편 안한 자세로 목을 받치고 앉게 하였다. 자기자극은 Magpro�×100 (Medtronic Inc., Denmark)와 70 mm 8자형 코일을 사용하였다. 우측 단무지외전근에 표면전극을 부착하고, 접지전극은 손등에 부착한 후, 1 cm 간격으로 표시된 천을 머리에 씌운 상태에서 자극 코일을 이용하여 좌측 대뇌피질에 자기자극을 시행하여 휴지기 운동유발전위를 측정하였다. 흥분역치가 가장 낮은 부위에서 10회 자극 중 5회 이상 정점간 진폭이 50 μV 이상 유발되는 가장 낮은 자극 강도를 휴지기 운동역치(resting motor threshold)로 정하였다.
반복경두개자기자극은 휴지기 운동역치의 90%인 역
치하 강도로 일차운동영역을 자극하였다. 고빈도 자극 은 20 Hz로 100회 자극하고 55초간 휴식하는 방법으 로 1,200회 자극을 주었으며, 저빈도 자극은 1 Hz로 100회 자극하고 20초간 휴식하는 방법으로 총 1,200회 자극을 주었다. 1 Hz와 20 Hz 반복경두개자기자극은 일주일 간격을 두고 동일인을 대상으로 각각 시행하였다.
2) 교감신경피부반응
교감신경피부반응 검사는 피검자가 검사실에서 충분 히 긴장을 푼 상태로 누워, 양측 손바닥과 발바닥에 표 면활성기록전극을 부착하고 손등과 발등에 기준전극을, 좌측 전완부에 접지전극을 부착하여 근전도 기계 Nico- let Viking IV (Nicolet Biomedical Inc., USA)를 사용하여 측정하였다. 자극은 20~35 mA 강도로 우측 손목관절에서 정중신경을 3회 자극하여 나타나는 반응 을 4 channel로 기록하였다. 습성화를 막기 위하여 자 극간의 간격을 30초 이상으로 불규칙하게 주었다. 또한 온도가 교감신경피부반응에 미치는 영향이 크므로 검사 실 실내온도는 24~26。C로 일정하게 유지하였다. 교감 신경피부반응의 잠시는 신경자극 후 기저선이 최초로 음극상으로 변동하는 지점을 측정하였으며, 진폭은 음 극의 정점에서 양극의 정점까지 측정하였다. 3회의 반 응 중 잠시가 가장 짧고, 진폭이 가장 큰 반응을 선택 하여 구하였다. 교감신경피부반응 검사는 반복경두개자 기자극 전, 직후, 30분 후, 60분 후에 각각 측정하였다.
3) 통계분석
통계분석은 SPSS 12.0 통계 프로그램을 이용하였으 며, 반복경두개자기자극에서 자극 전, 직후, 30분 후, 60분 후의 교감신경피부반응 검사의 진폭과 잠시의 변 화를 비교하기 위하여 일원배치반복분산분석(one-way repetitive measures ANOVA)을 사용하였고, 모든 분석에서 통계적 유의수준은 p<0.05로 하였다.
결 과
1. 1 Hz 반복경두개자기자극에 의한 교감신경피부 반응
1 Hz 반복경두개자기자극에서 교감신경피부반응의 잠시는 자극 전 각각 좌측 손바닥에서 평균 1.330 sec, 우측 손바닥에서 평균 1.286 sec, 좌측 발바닥에서 평 균 1.751 sec, 우측 발바닥에서 평균 1.781 sec이었 고, 자극 직후, 자극 30분 후, 자극 60분 후 모두 통계 적으로 유의한 잠시의 변화는 없었다(Fig. 1).
교감신경피부반응의 진폭은 자극 전 각각 좌측 손바 닥에서 평균 1.938 mV, 우측 손바닥에서 평균 2.406
mV, 좌측 발바닥에서 평균 1.057 mV, 우측 발바닥 에서 평균 0.992 mV이었고, 자극 직후, 자극 30분 후, 자극 60분 후 모두 통계적으로 유의한 진폭의 변화 는 없었다(Fig. 1).
2. 20 Hz 반복경두개자기자극에 의한 교감신경피 부반응
20 Hz 반복경부개자기자극에서 교감신경피부반응의 잠시는 자극 전 각각 좌측 손바닥에서 평균 1.377 sec, 우측 손바닥에서 평균 1.367 sec, 좌측 발바닥에서 평 균 1.790 sec, 우측 발바닥에서 평균 1.866 sec이었 고, 자극 직후, 자극 30분 후, 자극 60분 후 모두 의미 있는 잠시의 변화는 없었다(Fig. 2).
교감신경피부반응의 진폭의 평균값은 자극 전 각각 좌측 손바닥에서 평균 2.025 mV, 우측 손바닥에서 평 균 2.203 mV, 좌측 발바닥에서 평균 1.284 mV, 우 측 발바닥에서 평균 1.311 mV이었고, 자극 직후, 자
극 30분 후, 자극 60분 후 모두 의미있는 진폭의 변화 는 없었다(Fig. 2).
고 찰
반복경두개자기자극이란 규칙적인 자기자극을 특정한 뇌 부위에 일정 시간 동안 지속적으로 주는 것으로, 운 동장애나 우울증에서 치료적 목적으로 사용되고 있으며 일반인에서는 복합적인 뇌 기능 연구에 이용되어지고 있다.2
5 Hz 이상의 고빈도 반복경두개자기자극과 1 Hz 이 하의 저빈도 자기자극 모두 대뇌피질 흥분도에 영향을 주게 되는데, 피질 흥분도 변화의 지속 시간에 대하여 Chen 등8은 1 Hz, 115%로 운동피질에 15분간 반복경 두개자기자극을 시행하였을 때 30분 이상 휴지기 운동 역치가 증가하고 운동유발전위의 진폭이 감소한다고 하 였다. 역치하의 저강도의 자극에서도, 유 등9은 1 Hz로
Fig. 1. The change of sympathetic skin response latency and amplitude following 1 Hz sub-threshold repetitive transcranial magnetic stimulation.
Fig. 2. The change of sympathetic skin response latency and amplitude following 20 Hz sub-threshold repetitive transcranial magnet- ic stimulation.
반복경두개자기자극을 운동피질에 시행하면 운동유발전 위의 진폭이 감소하며 20 Hz 반복경두개자기자극 후에 는 진폭의 증가하여 역치하 자극에도 대뇌피질의 흥분 도가 변화됨을 보고하였다. 또한 Pascual-Leone 등10 은 역치하 자극의 강도로 1 Hz 반복경두개자기자극을 운동피질에 시행하였을 때 H 반사의 진폭과 H/M 진폭 비가 증가됨을 보고하였다. 본 연구에서도 휴지기 운동 역치의 90%의 역치하 강도로 총 1,200회 저빈도와 고 빈도 반복경두개자기자극 후 교감신경피부반응을 시행 하여 자극 빈도에 의한 교감신경피부반응의 변화를 알 아보고자 하였다. 또한 반복경두개자극에 의한 흥분도 의 변화가 대부분의 연구에서 일정 시간 유지되나 60분 이상은 지속되지 않아 교감신경피부반응은 반복경두개 자기자극 후 60분까지 측정하였다.
땀은 온도 변화, 물리적 혹은 정신적인 요소 등 여러 외부의 자극에 의하여 분비된다. 땀 분비에 관여하는 중추신경계의 부위로는 미측 시상하부(caudal hypo- thalamus), 복외측 뇌간의 망상체형성(ventro-later- al brainstem reticular formation) 등이 있으며, 자 율신경계의 교감신경을 흥분시켜 땀 분비를 야기한다.
땀 분비에 관여하는 자율신경계의 구성은 다른 장기에 서와 달리 부교감신경의 지배를 받지 않고, 신경절 이 후 콜린성 교감신경만이 작용한다.11 교감신경피부반응 은 체성자율신경 반사(somato sympathetic reflex) 로 여러 가지 내외적 각성자극으로 인해 교감신경계가 땀샘을 활성화 하여 일시적으로 피부전위가 변화하여 나타나는 것으로 알려져 있으며 구심성 경로인 직경이 큰 유수신경섬유, 중추신경계, 원심성 경로인 척수의 측주와 직경이 작은 신경절전, 절후 섬유 및 땀샘으로 구성되어 있다.12
반복경두개자기자극은 인체에서 일시적으로 혈압 및 심박수를 증가시키고 동공을 확대시켜 교감신경계를 활 성화시킨다고 하였으나 Foerster 등6은 이는 비특이적 인 각성반응이라고 하였다. 또한 동물실험에서는 오히 려 교감신경계가 억제된다는 보고가 있어 아직까지 반 복경두개자기자극이 자율신경계에 미치는 영향에 대하 여는 더 많은 연구가 필요한 실정이다.7 본 연구는 대뇌 운동피질에 저빈도와 고빈도의 반복경두개자기자극에 의한 교감신경피부반응의 변화를 측정하였는데, 역치하 의 저강도의 자극에서는 자극 빈도수에 관계없이 교감 신경피부반응의 변화를 관찰할 수 없었다. 일반적으로 교감신경은 미측 시상하부가 중추신경계의 구심적 역할 을 하여 내측 전뇌 다발(medial forebrain bundle), 유두뒤판로(mamillarytagmental track), 배측 세로 로(dorsal longitudinal tract)를 통해 중간뇌의 그물 체로 전해져 경수로 연결되는 것으로 알려져 있다.13 따 라서 본 연구의 결과로 대뇌피질의 반복경두개자기자극 은 직접적으로 교감신경계의 중추인 미측시상하부를 자
극하지 않은 것으로 생각되었다. 1997년 김 등14도 피질 하 손상의 뇌졸중 환자의 64%에서 교감신경피부반응이 이상을 보인데 반하여 피질 손상의 외상성 뇌손상 환자 군에서는 모두 정상소견을 보여 뇌피질이 교감신경피부 반응에 직접적인 영향을 미치지 않는다고 하였다.
반복경두개자기자극은 비침습적으로 두개 밖에서 자 기장을 가하여 대뇌피질 내 신경세포의 탈분극을 일으 키는 방법으로 2 cm 깊이에서 자극 강도의 50%만 전 달되며, 4 cm에서는 단지 25%의 자극 강도만이 전해 진다고 하였다.15 또한, Peinemann 등16은 운동피질에 반복경두개자기자극을 시행하였을 때와 전운동피질에 시행하였을 때 다른 형태의 피질 흥분도의 변화를 보고 하여 운동피질의 반복경두개자기자극의 흥분도가 주위 로 파급되지 않는다고 주장한 바 있다.
그러나 2006년 Kim 등17은 신경인성 통증 환자에서 역치하 강도의 자극으로 우측 운동피질에 10 Hz 반복 경두개자기자극 후 PET 검사 소견을 분석한 보고에서 동측의 배측 시상(dorsolateral thalamus), 양측 전 두엽, 소뇌에서 왕성한 당 대사 소견을 보이며, 반대측 의 전두엽에서 뇌세포 대사의 항진 소견을 보인다고 하 여 반복경두개자기자극의 흥분도가 전반적으로 뇌의 주 위로 파급됨을 시사하였다. 또한 반복경두개자기자극을 운동피질에 시행하였을 때 감각 지각 기능의 변화를 유 발한다. Summers 등18은 90%의 강도로 운동피질을 500회 자극하였을 때, 1 Hz와 20 Hz 자극 모두에서 냉감각 역치가 증가하였으며, Oliviero 등19은 5 Hz, 활동 시 운동역치로 운동피질에 10초간 반복경두개자기 자극을 시행하였을 때 온감각 역치와 냉감각 역치가 일 시적으로 증가하였다고 보고하였다. 감각 기능의 변화 를 유발하는 기전에 대하여 감각운동피질의 기능적 변 화와 GABA의 피질 내 억제의 감소, 운동영역 사이의 피질 내 연결의 감소, 국소 GABA계 신경물질을 이용 한 억제 조절의 감소 등을 제시하고 있다.20,21 최근에는 반복경두개자기자극을 통증 치료에 적용하는 연구들도 활발히 진행되고 있어 김 등22의 연구에 의하면 3명의 난치성 신경인성 통증 환자에서 운동피질에 10 Hz, 역 치하 강도로 반복경두개자기자극을 1,000회 시행 후 진 통효과를 보였다. 반복경두개자기자극이 통증을 조절하 는 기전으로는 반복경두개자기자극이 피질시상로를 통 해 시상을 활성화시켜 척수시상로를 통한 감각 정보의 전달을 억제시킨다는 가설이 제시되고 있으며 최근에는 운동피질에 시행한 반복경두개자기자극이 척수 수준에 서 통증 정보처리를 변화시킨다는 연구가 보고되었 다.23,24
교감신경피부반응은 정신적인 놀람, 통증, 말초신경 의 전기적 자극, 기침이나 깊이 숨 들이마심, 청각적 자극 등 다양한 자극에 의해 유발되며 특히 감정적인 변화 등 각성상태와 연관이 있다.25,26 일반적으로 교감
신경피부반응은 교감신경계를 평가하는 정량적 방법으 로 알려져 있으나 사람에서 교감신경피부반응은 교감신 경의 활성도와는 독립적으로 유발되며, 교감신경의 활 성도의 변화가 직접적으로 교감신경피부반응의 변화를 유발하지는 않는 것으로 알려져 있다.27 이에 본 연구에 서 측정한 교감신경피부반응의 결과를 전반적인 교감신 경계 기능의 변화로 해석할 수는 없을 것이다.
본 연구의 제한점으로는 동일한 조건 하에서 대조군 을 시행하지 않아 앞으로 위 자극을 통해 이를 보완해 야 할 것으로 사료되며, 반복경두개자기자극이 적절히 대뇌피질을 자극하였는지를 운동유발전위나 피질 내 억 제, 피질 내 촉진 등을 측정하여 검증하지 못하여 앞으 로 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다. 또한 반 복경두개자기자극과 기립 시 혈압 및 심박수 변화의 측 정과 같은 다양한 교감신경계 기능 평가를 시행하지 못 한 아쉬움이 있어 향후 다양한 교감신경계 기능 평가와 자극 강도 및 자극 부위에 따른 반복경두개자기자극과 교감신경계의 상관성을 알아보아야 할 것으로 보인다.
결 론
신경병증 병력이나 현증이 없는 건강한 성인에서 수 부 운동피질의 반복경두개자기자극은 저빈도와 고빈도 자극 모두 역치하의 자극 강도에서는 교감신경피부반응 검사의 잠시와 진폭에 유의한 변화를 유발하지 않았다.
따라서 저강도의 반복경두개자기자극은 직접적으로 대 뇌 심부에 위치한 교감신경계의 중추경로를 자극하지 않는 것으로 생각되었다.
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