Direction-Specific Effects of Biphasic Transcranial Magnetic Stimulation on Cortical and Cortico-spinal Excitability

당신의 뇌를 수십억 개의 작은 전령(뉴런)들이 모든 것이 원활하게 돌아가도록 끊임없이 쪽지를 전달하는 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 때때로 과학자들은 이 전령들이 상황이 조금 흥미진진해질 때 어떻게 반응하는지 그 커튼 뒤를 엿보고 싶어 합니다. 이를 위해 그들은 경두개 자기 자극(TMS)이라는 도구를 사용합니다. TMS를 머리 위에 떠 있는 거대하고 보이지 않는 자석이라고 생각해보세요. 클릭 소리와 함께 작동하면, 이는 두개골을 통과하는 자기 펄스를 만들어내어 바로 아래에 있는 뇌세포에 작고 무해한 충격을 줍니다. 이것은 마치 드럼을 쳐서 피부가 어떻게 진동하는지 보는 것과 같은데, 드럼 대신 뇌를 톡톡 두드려 뇌가 전기와 함께 어떻게 "진동"하는지 보는 것입니다.

보통 과학자들은 뇌의 "운동" 부서가 제대로 작동하는지 확인하기 위해 이 도구를 사용합니다. 당신의 손을 제어하는 뇌 부위를 자극하면 손이 움찔할 수 있습니다. 이 움찔거림을 운동 유발 전위(MEP)라고 부릅니다. 하지만 여기서 까다로운 점은, 자석이 단 한 방향으로만 자극을 주지는 않는다는 것입니다. 전기가 앞쪽에서 뒤쪽으로, 혹은 뒤쪽에서 앞쪽으로 흐르는 강물처럼 전류의 방향이 바뀔 수 있습니다. 오랫동안 과학자들은 이 "전기 강물"의 방향이 정말 중요한지 확신하지 못했습니다. 전류가 앞에서 뒤로 흐르는지, 아니면 뒤에서 앞으로 흐르는지가 중요할까요? 그것이 뇌의 "드럼 소리"를 더 크게 만들까요, 아니면 신호가 전달되는 속도를 변화시킬까요? 이 질문은 중요한데, 만약 방향이 뇌의 반응을 변화시킨다면, 과학자들이 정확한 결과를 얻기 위해 자기 지팡이를 어느 방향으로 향하게 할지 매우 주의 깊게 살펴봐야 하기 때문입니다.

이 연구에서 한 연구팀은 뇌의 전기를 두고 "틀린 그림 찾기" 게임을 하여 이 논쟁을 종결하기로 했습니다. 그들은 23명의 건강한 자원봉사자를 초대했고, 고도의 기술이 집약된 로봇 팔을 사용하여 자기 코일을 왼쪽 뇌(오른손을 제어하는 영역) 위에 완벽하게 고정했습니다. 로봇은 매우 중요했는데, 아주 작은 흔들림조차 실험을 망칠 수 있었기 때문입니다. 연구진은 두 가지 다른 전류 방향, 즉 앞쪽에서 뒤로 흐르는 방향(AP-PA)과 뒤쪽에서 앞으로 흐르는 방향(PA-AP)으로 뇌를 자극했습니다. 이 자극은 손이 움찔할 정도로 충분히 강한 강도, 즉 "휴식기 운동 역치(반응을 일으키는 데 필요한 최소한의 힘)"의 110% 수준에서 이루어졌습니다.

뇌가 자극받는 동안, 팀은 두 가지를 동시에 기록했습니다. 첫째, 손의 근육을 관찰하여 물리적인 움찔거림(MEP)을 확인했습니다. 둘째, 64개의 센서가 달린 캡을 사용하여 두개골 내부의 뇌의 전기적 수다(EEG)를 들으며 뇌의 즉각적인 "생각"이나 반응을 확인했습니다. 그들은 전류의 방향이 움찔거림의 크기를 바꾸는지, 얼마나 빨리 일어나는지, 또는 뇌의 전기적 노래가 어떻게 변하는지 알고 싶었습니다.

결과에 따르면, 전류의 방향은 분명히 중요하지만, 모든 면에서 그런 것은 아니었습니다. 전류가 앞쪽에서 뒤로 흐를 때(AP-PA), 뇌는 깨우기가 더 쉬웠습니다. 즉, 연구진은 손을 움찔하게 만드는 데 더 적은 에너지가 필요했고, 움찔거림도 더 빠르게 나타났습니다. 그러나 전류가 뒤쪽에서 앞으로 흐를 때(PA-AP), 뇌는 좀 더 고집스러워져서 더 많은 에너지를 필요로 했고, 신호를 손으로 보내는 데 시간이 조금 더 걸렸습니다. 흥미롭게도, 두 방향 사이에서 손의 움찔거림의 크기는 크게 변하지 않았습니다. 뇌가 단지 다른 경로를 거쳐 그곳에 도달했을 뿐입니다.

이야기는 뇌의 내부적인 전기적 노래를 살펴볼 때 더욱 흥미로워집니다. 연구진은 전류의 방향이 뇌의 특정 음표를 바꾼다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, "P60"이라고 불리는 특정 뇌파는 전류가 뒤에서 앞으로 흐를 때 약간 더 일찍 나타났습니다. 또한, 움찔거림의 감각을 처리하거나 혹은 "제동" 또는 억제와 관련된 것으로 생각되는 "N100" 파형은 전류가 뒤에서 앞으로 흐를 때 훨씬 더 강하게(더 음의 방향으로) 나타났습니다. 이는 뒤에서 앞으로 흐르는 방향이 뇌의 내부 처리 또는 억제 시스템의 볼륨을 높이고 있음을 시사합니다.

연구진은 또한 뇌 활동의 전체적인 "크기"를 측정하며 큰 그림을 살펴보았습니다. 그들은 뇌의 반응 중간 단계(자극 후 51에서 110밀리초 사이)에서, 뒤에서 앞으로 흐르는 전류가 앞쪽에서 뒤로 흐르는 전류보다 뇌 전체에 걸쳐 더 크고 활발한 신호를 생성한다는 것을 발견했습니다.

마지막으로, 연구진은 뇌의 내부 노래와 손의 물리적 움찔거림 사이의 점들을 연결하려고 노력했습니다. 그들은 연결 고리를 찾아냈습니다. 손의 움찔거림이 더 클 때, 전류의 방향과 상관없이 "N100" 뇌파도 더 컸습니다. 또한 손의 움찔거림과 "P30" 파형 사이에도 연관성이 있었는데, 이는 전류가 앞쪽에서 뒤로 흐를 때만 나타났습니다. 이는 뇌의 내부 반응과 신체의 물리적 움직임이 서로 대화를 나누고 있지만, 그 대화의 방식이 자기 자극이 전달되는 방식에 따라 달라진다는 것을 시사합니다.

요약하자면, 이 논문은 전류의 방향이 뇌의 반응을 조절하는 다이얼과 같다는 것을 확인해 줍니다. 그것은 단순히 볼륨을 높이거나 낮추는 것이 아니라, 타이밍과 뇌가 연주하는 특정 음표를 바꿉니다. 손의 움찔거림은 비슷해 보일지 몰라도, 뇌의 내부 여정은 다릅니다. 따라서 이 기술을 사용하는 과학자들과 의사들에게 있어서, 전류의 방향을 주의 깊게 살피는 것은 뇌가 정확히 무엇을 하고 있는지 이해하는 데 필수적입니다. 연구는 한 방향이 다른 방향보다 "낫다"고 말하지는 않지만, 두 방향이 서로 구별되는 도구로서 뇌를 각기 독특한 방식으로 활성화한다는 것을 보여주었습니다. 향-후 연구들은 우리의 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 더 나은 지도를 만들기 위해 이러한 방향성을 반드시 염두에 두어야 할 것입니다.