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회전장치를 이용한 동물평형기능 평가
김현지
1,2ㆍ한규철
3ㆍ김규성
1,2인하대학교 의과대학 이비인후과학교실1, 인하대학교 의과대학 의과학연구소 항공우주의학연구회2,
가천대학교 의과대학 이비인후과학교실3
Evaluation of Animal Balance Function using Rotatory Device
Hyun Ji Kim, M.D.
1,2, Gyu Cheol Han, M.D., Ph.D.
3, Kyu-Sung Kim, M.D.
1,21Department of Otorhinolaryngology, 2Inha Research Institute for Medical Sciences, Inha University College of Medicine,
3Department of Otorhinolaryngology, Gachon University School of Medicine, Incheon, Korea
The vestibular system is the only organ controlled by positive feedbacks in human. Since it calculates the exact positional signals of the head, it analogizes three dimensional relationships between the human body and the objects in a real space, and it helps the ability to correct object’s clear vision and postures.
A certain quantity of external stimulation such as rotation, galvanic, temperature, pressure and sounds is given to observe the responses of effectors and to be able to figure out the characteristics of nervous system. The rotation stimulation would be used the most exquisite input data. In the vestibular system, there is a range that responses to linear frequency, hence reasonable rotation stimulation can be applied as a stabilized evaluation tool for vestibular science. In this article, it explains how the rotational stimulation affects the vestibular system and how it will distinguish its significance.
Key words: Vestibular system, Rotation stimulation
접수: 2015년 4월 17일, 심사완료일: 2015년 4월 24일 교신저자: 김규성
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I. 서 론
포유류를 포함하는 척추동물은 종의 진화에도 불구하고 유사한 전정 메커니즘을 갖고 있다. 즉, 신체 균형센서는 신 체 체적, 눈의 위치, 직립 보행여부, 공중이나 수중과 같은 내적-환경적 요인에 관계 없이 중력이 존재하는 한 동일한 원리로 신체-머리의 위치를 감지하고 조절한다. 심지어 이 석 기관과 반고리관으로 대표되는 균형센서는 형태학적-물 리적으로 다른 기관이지만 동일한 감각세포를 함유하며 mechano-transduction이라는 과정을 통해 머리 위치정보를 전 위차로 전환시킴으로써 중추신경계에서 조절이 가능한 cod- ing 정보를 발생시킨다. 결국 움직이는 머리의 각가속도 혹은
기울기 정보에 반응해 발생된 전기적 정보는 전정신경핵에 서 각속도정보로 전환되어 적분체를 포함한 조절 신경핵의 연합뉴런들의 내적 함수에 의해 양성 되먹임 조절을 받아 가장 적절한 안구위치-신체자세를 결정하는 정보를 빠르게 효과기로 전달한다. 이 과정에 해마를 통해 정보를 저장하 거나 시야정보-자율신경계에도 정보를 공유한다[1-3].
과거 1세기간 인체 균형 조절을 이해하는 과정에서, 전정 말단 수용기-전정핵-효과기-해마와 관련된 많은 실험이 이 루어 졌으며 신경체 작동정보의 시작인 전정말단 수용기의 생리적 실험을 위해 회전자극기가 가장 효과적으로 이용되 었다. 즉, 반고리관과 이석 기관에 회전자극기를 이용한 일 정패턴의 정량화된 자극을 주고 효과기에서 유도된 변화량 을 측정함으로써 신경계의 간섭을 평가하는 방법이 사용되 어 왔다. 이런 회전자극기는 실험실뿐만 아니라 임상에서 도 인체를 대상으로 동일한 원리로 진단과 평가에 사용되 는 대표적인 의료기기로 발전되었다[4].
가청주파수가 종에 따라 다르듯이 말단 전정기관에서 발 생된 전기적 신호도 주파수 특성이 다를 수는 있지만 같은 중력의 범위 내에서 청력에 비해 매우 작은 주파수 대역을
Fig. 1. Mouse video-oculography setup.
II. 본 론
1. Mechano-Electric transduction과 Pendulum model
전정말단기관은 형태적 극성이 있는 섬모를 포함한 Type I과 II의 감각세포에 내림프의 흐름 혹은 중력에 대한 이석 막의 기울어짐에 따른 섬모의 반응으로 전위차를 발생시킨 다. 섬모의 기울어짐은 운동모(kinocilium)쪽으로 얼마나 기 울어지느냐에 따라 흥분과 억제의 선형적 반응구간과 비선 형구간이 존재한다. 즉, 외부에서 인위적으로 머리에 각가 속도 형태로 내림프의 흐름을 유도하거나 이석막의 기울어 짐을 만드는 경우 전정유모세포에서 발생되는 전위차를 변 화시킬 수 있으며 모델링을 통해 예견할 수 있는 구간이 존재한다는 것이다[5-7].
이를 합리적으로 조절하기 위해 연구자들은 반고리관을 팽대능(cupula)라는 격막으로 분획된 밀폐된 원형의 파이프로 가상하여 머리에 주어진 회전 관성력은 팽대능으로 전달된
비교-통합과 분리-미적분의 근본이 된다[8].
2. 실험의 설계와 준비
전정에 가해지는 자극방법과 자극량이 정해졌다면 상응 하는 효과기의 변화를 기록하는 작업이 필수적이다. 상-하 전정신경이나 전정핵에서 활동전위를 측정하거나, 반사의 일종인 안진을 기록하는 방법들이 사용되며 입력자극의 변 화량과 효과기의 정량화된 변화량을 컴퓨터를 통해 동기화 함으로써 양자간의 비교가 가능하다. 물론 효과기의 측정 법이 전기적신호 자체인지, 영상인지에 따라 사용되는 회 전자극기의 모터의 종류는 선택하여 설계할 수 있으나 모 터의 제어에는 서보컨트롤이 필수적이다(Fig. 1, 2).
3. 회전자극의 선택(harmonic acceleration & step velocity)
회전자극기는 반고리관과 이석기관 평가에 이용할 수 있 으며 반고리관을 연구하기 위해 일정한 주기로 가속-감속을 반복하는 earth vertical harmonic acceleration test (HAT) 방법과
Fig. 3. Harmonic acceleration test.
Fig. 2. Animal rotator system for Rat (A), for Mouse (B).
등속구간과 회전 방향이 포함된 step velocity test (SVT)가 이 용된다. HAT는 미리 계산된 angular peak velocity (15~120o/s) 에 맞추어 주파수범위를 0.01~15 Hz 범위에서 셋팅한다.
일반적으로 측정할 효과기의 종류에 따라 peak velocity를 선 택하게 되는데, 전위차를 직접 측정하는 경우, 미세한 자극 에도 반응을 잘하는 반면 진동에 취약하므로 15~30o/s의 작 은 peak velocity를 이용하는 것이 적당하다. 반면 안진을 효 과기로 사용하는 경우는 60~120o/s정도의 큰 peak velocity를 사 용하여야 한다(Fig. 3). SVT는 선택된 방향으로 2,000o/s2의 빠 른 가속과 감속중간에 100o/s의 등속운동구간이 포함된다.
시계방향과 반시계방향으로 회전시키고 감속 구간 이후에 발생되는 안진크기(o/s)의 감쇠(decay)를 기록하는 방법이다.
초반 안진크기(initial velocity)의 37%로 감소된 시점을 시간
상수(Time constant)로 사용한다[9,10].
회전자극기를 이용한 실험은 생리적 환경에서 각성상태 에서 실험이 이루어 져야 한다. 실험 동물마다 동일한 측정 조건을 기대할 수는 없으므로 정확한 결과를 얻기 위해서 매 실험에서 10회 이상 주기를 기록하고 분석과정은 연속 된 3개 주파수 이상을 선택하여 분석하는 방법이 적당하다.
4. 회전자극에 대한 결과해석
HAT의 입력 자극양은 위치 정보를 미분하여 얻어진 속 도정보로 가름한다. 효과기의 안진은 신경계에서 유래된 (neural component) 서상 안진(slow phase eye velocity, o/s)을 특 정 sampling rate로 추출하여 plot한다. 자극주파수에 비해 유
Fig. 4. Relationship between harmonic acceleration and eye velocity.
율이다[9]. 근본적으로 신경 반사궁이 너무나 단순해서 delay 나 signal loss가 존재하지 않는다면 입력 자극양과 효과기 사이에는 이득과 위상, 대칭에 차이가 없을 것이다. 하지만 신경전달속도와 양성 되먹임을 비롯한 조절 신경핵이 최종 효과기에 영향을 미치므로 변수들에 근본적인 차이를 만들 어 낸다. 특히, 전정관련 정보 중에 안진은 암전(darkness)의 정도와 각성도(alertness)에 민감하게 반응하므로 이득보다 는 위상차가 매우 중요한 정보로써 활용 된다[11]. 반면 전 기적 신호를 직접 측정하는 경우는 이득이 좋은 정보로써 활용될 수 있으나 온도에 매우 민감하므로 실험 중에 생리 적 환경을 유지하는 것이 매우 중요하다(Fig. 4).
5. 회전자극을 포함한 실험의 한계와 확장
자극 주파수별, 구심성 전정신경의 이득과 위상과 관련 된 특성들은 사람을 비롯한 척추동물에서 이미 많이 알려 져 있기 때문에 구태여 복잡한 자극을 선택할 필요는 없다.
단지 HAT에서 얻을 수 없는 신경적분체의 직접적인 측정 을 위해 SVT를 시행하는 것이 추천된다. 아울러 안진을 효 과기로 사용하는 경우, 안구운동의 3차원운동을 해석하는 작업이 필요하지만 이는 본 논고의 범위를 벗어나는 것이 므로 해석을 제외하기로 한다.
전정기관관련 연구는 일정한 중력 하에 진화되어온 결과 를 조사하거나 사실을 증명하는 데에 초점이 맞추어 왔을 뿐만 아니라 일반적인 HAT나 SVT는 수평반고리관에 국한 되어 적용되어 왔다. 기존 회전자극기에 대한 지식과 경험 을 확장하여 중력을 평가의 한 요소로 이용하는 방법으로 off-vertical acceleration rotation stimulation (OVAR), eccentric ro- tation stimulation 등이 활용된다[12]. 이중 OVAR은 회전의 축을 12~30o가량 기울여 HAT나 SVT를 시행하는 것을 의미 하며 이때 전정기관 내에 saccule에 의한 신경반응을 극단적 으로 기록할 수 있다. 반면, eccentric rotation은 회전축에서 벗어난 곳에 실험동물을 셋팅하여 HAT를 시행하는 것으로 실험동물이 놓이는 방향에 따라 다른 utricle의 반응을 극단 적으로 반영한 실험을 할 수 있다[13]. 이 두 가지 변형된
회전 자극방식은 중력 수용기인 이석기관을 생리적-정량적 으로 측정한다(Fig. 5).
III. 결 론
전정기관을 통해 인체는 머리의 위치정보를 파악해 공간 에서 인체와 사물간의 위치관계를 판단하고 올바를 자세를 유지할 수 있는 능력을 갖게 된다. 회전자극기는 전정기관 에 적절한 회전 자극을 가하여 자극주파수 특이반응을 이 끌어 냄으로써 안정적으로 전정기관을 평가하는 도구가 될 수 있다. 본 장비를 통해 동물에서의 평형기능을 다양하게 평가할 수 있으므로 인체에서 얻기 어려운 정보들을 동물 실험을 통해 대행 할 수 있고, 질환별 동물 모델의 제작 및 치료, 적응 혹은 보상 과정을 평가하는데 중요한 도구로 활 용할 수 있다. 나아가 모의 우주환경 실험이나 중력 변화를 이용한 실험에 활용하여 우주의 변화된 환경에서 인체의 변화를 예견할 수 있는 유용한 장비가 될 수 있을 것이다.
감사의 글
This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science, ICT & Future Planning (NRF-2013R1 A2A2A04014796).
Fig. 5. The result of rotation stimu- lation test using mouse.
![Fig. 4. Relationship between harmonic acceleration and eye velocity.율이다[9]. 근본적으로 신경 반사궁이 너무나 단순해서 delay나 signal loss가 존재하지 않는다면 입력 자극양과 효과기 사이에는 이득과 위상, 대칭에 차이가 없을 것이다](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/4926045.295161/4.888.463.809.121.483/relationship-acceleration-근본적으로-반사궁이-단순해서-존재하지-않는다면-자극양과.webp)
