Directional coordination along the cortical hierarchy is selectively reorganized in schizophrenia

인간의 뇌는 정적인 기계가 아니라, 끊임없이 다른 작동 모드 사이를 이동하는 역동적인 풍경이다. 수십 년 동안 과학자들은 뇌가 계층적 구조, 즉 시각이나 청각 같은 기본적인 감각 입력을 처리하는 하위 영역과 복잡한 사고 및 계획을 관리하는 상위 영역으로 구성되어 있다는 것을 이해해 왔다. 신경과학의 핵심적인 질문 중 하나는 이 층위들이 서로 어떻게 대화하느냐는 것이었다. 상위 영역이 하위 영역에 지시를 내리는가, 아니면 하위 영역이 가공되지 않은 데이터를 상위로 보내는가? 조현병이라고 알려진 장애에서는 이러한 의사소통이 무너지는 것으로 믿어지며, 이로 인해 감각 경험이 여과 없이 느껴지고 맥락에서 단절된 세상이 만들어진다. 그러나 지금까지 뇌를 연구하는 데 사용된 도구들은 장면의 밝기만을 기록할 뿐 빛의 방향은 무시하는 카메라와 같았다. 그 도구들은 두 뇌 영역이 얼마나 강하게 연결되어 있는지는 알려줄 수 있었지만, 특정 순간에 어느 영역이 대화를 주도하고 있는지는 볼 수 없었다.

트라이-인스티튜셔널 신경영상 및 데이터 과학 전환 연구 센터(Tri-Institutional Center for Translational Translational Research in Neuroimaging and Data Science)의 연구진이 개발한 새로운 연구는 뇌 교통의 방향을 보는 방법을 개발함으로써 이를 변화시켰다. 조현병 환자를 포함한 수백 명의 뇌 스캔을 분석함으로써, 연구팀은 뇌가 자연스럽게 세 가지 뚜렷한 의사소통 상태를 순환한다는 것을 발견했다. 한 상태에서는 고차원적 사고 영역이 하위 감각 영역을 이끌며, 마치 지시를 내리는 관리자처럼 행동한다. 또 다른 상태에서는 감각 영역이 앞서 나가며 가공되지 않은 데이터를 위로 보낸다. 세 번째인 균형 잡힌 상태에서는 양측이 정보를 동등하게 교환한다. 연구진은 조현병 환자들의 경우 이러한 자연스러운 리듬이 깨져 있다는 것을 발견했다. 자유롭게 이 상태들을 오가는 대신, 뇌는 균형 잡힌 중간 상태에 갇혀 '관리자 주도형' 상태를 유지하는 능력을 상실한다. 이전 방식으로는 보이지 않았던 이 특정한 붕괴는 증상의 심각도 및 개인의 인지 능력과 상관관계가 있었다.

연구는 조현병 환자 151명과 건강한 대조군 160명의 휴지기 뇌 스캔을 살펴보는 것으로 시작되었다. 연구진은 뇌 신호 사이의 타이밍 차이를 보존하는 특수한 수학적 접근 방식을 사용하여, 어떤 영역이 이끌고 어떤 영역이 따르는지를 볼 수 있게 했다. 그들은 건강한 뇌가 세 가지 반복되는 패턴을 통과한다는 것을 발견했다. 그들이 '피드백(feedback)'이라 부른 한 패턴은 복잡한 사고를 담당하는 뇌의 연합 영역이 감각 영역을 이끌 때 발생한다. 또 다른 패턴인 '피드포워드(feedforward)'는 감서 영역이 연합 영역을 이끌 때 발생한다. 세 번째 패턴인 '통합(integrative)'은 흐름이 균형을 이룰 때 발생한다. 이 세 가지 패턴은 서로 다른 집단과 서로 다른 스캐닝 기기에서도 일관되게 나타났으며, 이는 뇌가 작동하는 방식의 근본적인 특징임을 입증했다.

연구진이 건강한 집단과 조현병 집단을 비교했을 때, 이 패턴들의 선택적인 재편성을 발견했다. 조현병 환자의 뇌는 고차 영역이 하위 영역을 안내하는 피드백 상태에서 머무는 시간이 현저히 적었다. 또한 흐름이 균형을 이루는 통합 상태에서 더 많은 시간을 보냈다. 결정적으로, 감각 영역이 앞서는 피드포워드 상태는 거의 변하지 않았다. 이는 이 질환이 단순히 모든 연결을 약화시키는 것이 아니라, 상향식 가이드 시스템을 유지하는 능력을 구체적으로 침식시킨다는 것을 의미한다. 조현병 환자의 뇌는 또한 이러한 상태들 사이를 덜 자주 이동하며, 패턴 속에 더 빨리 안착하는데, 이는 유연성의 상실을 시사한다. 연구진은 이 결과를 별도의 독립적인 환자 및 대조군 집단에서도 확인하여, 결과가 단일 데이터셋의 우연이 아님을 보장했다.

연구는 또한 이러한 뇌 패턴이 실제 행동 및 증상과 어떻게 관련되는지를 탐구했다. 건강한 사람들에게서는 뇌가 안정적인 패턴으로 안착하는 속도가 더 나은 학습 능력과 연결되었다. 그러나 조현서 환자들에게서는 이 관계가 뒤집혔다. 동일한 빠른 안착이 오히려 더 낮은 주의력과 낮은 인지 수행 능력과 연결되었다. 이는 안정적인 뇌 상태가 건강한 정신에는 도움이 되지만, 장애가 있는 뇌에서는 경직되고 비생산적인 모드로의 붕괴를 의미한다는 것을 시사한다. 더욱이 환각이나 망상과 같은 양성 증상의 심각도는 뇌가 균형 상태에서 피드포워드 상태로 미끄러지는 빈도와 관련이 있었다. 뇌가 맥락 없이 감각 데이터가 주도하도록 내버려 두는 쪽으로 더 많이 흐를수록 증상은 더 심각해졌다.

연구진은 이러한 패턴이 단순한 통계적 트릭이 아니라 뇌의 실제적이고 조절 가능한 속성임을 증명하기 위해, 서로 다른 조건 하에 있는 별도의 건강한 자원봉사자들을 대상으로 실험을 진행했다. 그들은 프로포폴이라는 약물을 사용하여 자원봉사자들을 진정시켰고, 테니스를 치는 것을 상상하는 정신적 과업을 통해 그들의 마음을 몰입시켰다. 진정 상태는 고차 영역이 앞서는 피드백 상태로 뇌 활동을 이동시킨 반면, 정신적 이미지 과업은 피드포워드 상태로 뇌를 이동시켰다. 이 이중 변화는 뇌의 방향성 축이 실험적으로 움직일 수 있음을 보여주었으며, 조현병에서 관찰되는 붕괴가 고정된 해부학적 결함이 아닌 실제적인 역동적 실패임을 확인시켜 주었다.

연구진은 또한 자신들의 발견이 다른 설명들에 의해 유발된 것이 아님을 규명하기 위해 노력했다. 그들은 신호의 방향이 뇌 영상에서 흔히 발생하는 혈류의 고정된 지연에 의한 것이 아님을 보여주었는데, 왜냐하면 방향이 단일 스캔 내에서도 빠르게 변했기 때문이다. 또한 그들은 이러한 방향성 조직이 전역적 각성 수준이나 일반적인 뇌 연결 구조와 같은 다른 알려진 뇌 원리에 의해 설명될 수 없음을 증명했다. 그들이 발견한 방향성 패턴은 독특했으며 다른 어떤 측정치도 포착할 수 없는 정보를 담고 있었다.

궁극적으로 이 연구는 뇌의 계층 구조가 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 이해를 제공한다. 이는 조현병이 단순히 약한 연결의 문제가 아니라, 방향의 문제임을 드러낸다. 뇌는 세상을 이해하도록 돕는 하향식 가이드를 유지하는 능력을 잃고, 명확한 리더십 없이 정보가 흐르는 중간 지대에 갇히게 된다. 이 특정한 역동적 실패를 식별함으로써, 이 연구는 질환을 이해하고 뇌의 자연스러운 리듬을 회restoring(복구)하는 데 도움이 될 수 있는 치료법을 개발하기 위한 새로운 표적을 제시한다. 연구 결과는 조현병의 핵심이 연결의 강도가 아니라 흐름의 방향, 즉 이전에는 눈에 띄지 않게 숨겨져 있던 뇌 활동의 차원에 있다는 것을 시사한다.