'fMRI'에 해당되는 글 6건

  1. 감사하라, 그리하면 정신이 건강해질 것이다.
  2. 생체시계의 기능적 연결성과 섬망환자에서 보여지는 수면각성 장애의 신경 기전에 대한 연구
  3. intuitive resting state functional connectivity (iRSFC) toolbox (7)
  4. smoothness estimation in SPM and AFNI (2)
  5. TCI & Functional Modular Organisation 논문 수락 후기 (4)
  6. 소아 ADHD에서 나타나는 비정상적인 기능적 연결성

"감사는 뇌를 건강하게 한다?"

사람들은 인상 생활에서 많은 스트레스를 받는데, 이는 부정적인 자극에 민감하게 반응하게 하는 원인이 된다. 행복하지 않고 스트레스가 많은 삶은 감정조절 능력과 삶의 만족도의 감소와 인지 장애와 관련이 있다. 반면, 삶의 만족도가 높은 사람들은 자기참조처리(Self-Referential Processing)와 관련된 부정적인 자극을 처리할때 뇌의 여러 영역과 더 많은 연결성을 보이는 특징이 있다.


"감사 표현은 긍정적인 사고를 촉진하고 스트레스 수준을 낮춘다."

긍정적인 감정은 내재동기 뿐만이 아니라 자기조절능력과 회복탄력성의 증진과 관련이 있습니다. 특히, '감사 표현'은 긍정적인 사고를 촉진하고 스트레스 수준을 낮추는 것으로 알려져 있습니다. 감사는 우리의 정신 건강과 'mental well-being'의 증진을 위해 중요한 요소이다. 감사는 정신 질환 발병 위험을 낮추고, 또한 삶의 만족도와 지혜를 증진시키는 것과 관련 있다. 더욱 구체적으로 말하자면, '부모에 대한 감사'는 높은 행복감 뿐만이 아니라 회복탄력성과 공격성 감소와도 관련이 있다. 여러 연구에서 살펴본 바와 같이 '부모를 향한 감사 표현'은 우리를 더욱 행복한 삶으로 인도 할 수 있는 강력한 긍정적 경험이지만, 일상에서 실천은 쉽지 않은 일이다.


"Mental training을 통해 뇌의 기능을 변화시킨다."

심리학적 관점에서 감사와 원망을 이해하는데 진전이 있었지만, 두 감정에 대해 중추신경계 및 자율신경계에 미치는 영향에 대한 연구는 많지 않은 편이다. 명상과 관련하여 마음 챙김이나 열정 훈련 등과 관련해서는 몇가지 선행연구가 있다. 우선, 마음챙김 훈련이 기본 신경망의 기능적 연결성의 변화와 관련 있음이 밝혀졌고, 열정 훈련 이후에는 전두엽과 측위 신경핵(Nucleus Accumbens, NA) 영역간의 연결성의 변화가 있음이 밝혀졌다.

다양한 명상 중 감사 명상이 뇌활동에 미치는 영향에 대한 fMRI 연구는 지금까지 두 건 수행되었다. 한 연구에서는 fMRI 과제에서 감사의 정도와 전측대상피질 및 안쪽전두엽 영역의 뇌활성화와 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 또 다른 연구에 의하면 감사 표현은 왼쪽 전두-두정엽 영역과, 전전두엽, 그리고 후두엽의 뇌활성화를 변화시키는 다고 알려져 있다. 

Mental training으로 전두엽, 전측대상피질, 편도체, 측위 신경핵, 그리고 기본신경망의 뇌활동이 변화됨을 고려하여, 우리는 이번 연구에서 이런 영역들의 뇌 기능(가령, 감정 조절, 자기-참고-처리, 보상-동기 처리)도 mental training을 통해서 조절 될 수 있음을 가정했다. 이런 가설을 검증하기 위해, 우리는 정신 건강에 긍정적인 영향을 주는 감사 명상(Gratitude intervention)과 부정적인 영향을 주는 원망 명상(Resentment intervention)을 개발했다. 


"감사 명상은 마음을 건강하게 한다."

명상을 수행하는 동안 뿐만이 아니라 명상 수행 전과 후에도 심박수와 기능자기공명영상(functional MRI, fMRI)를 측정하여 자율신경계와 중추신경계의 변화를 조사했다. 특히, 감사 명상이 부교감신경계를 자극하여 몸의 이완을 유도하고, 원망 명상은 교감신경계를 자극하여 몸의 긴장도를 증가시킬 것이라는 가설을 검증하기 위해 심박동을 측정했다. 감사 명상과 원망명상의 수행 순서는 연구에 참여한 사람에 따라 무작위로 배정했다. 아래 그림은 감사 명상(Gratitude intervention)에 몰입함에 따라서 심박수가 점점 줄어들어 드는 것을 보여주는 그래프이다. 심박수는 자존감이 높은 사람일수록 낮은 경향이 있고, 스트레스를 받거나 불안감이 높은 사람일수록 높다는 여러 선행연구 결과를 우리 연구 결과에 반영한다면, 감사 명상은 정신 건강(mental health)이 증진되는 방향으로 우리의 뇌를 훈련 시킨다고 볼 수 있을 것이다.

"감사는 뇌와 마음에 강한 동조를 일으킨다."

이번 연구의 중요한 발견 중 하나는 명상을 수행하는 중에는 심박과 동조하는 기능적 연결성이다. 심박과 동조하는 기능적 연결성(Temporal synchronization between heart rate and functional connectivity)이란, 명상중에 심장박동이 변화하는 패턴과 기능적 연결성이 변화하는 패턴이 통계적으로 유사함을 의미한다. 특히, 편도체-측두엽 연결성과 편도체-후두엽 연결성은 명상중의 심박과 동일하게 변한다는 것을 발견했다(아래 그림의 왼쪽). 위의 그림에서 명상중에 심박수가 낮아지는 결과를 참고해보자. 낮은 심박수는 심리적으로 안정적인 상태를 의미하고, 편도체는 감정 처리와 관련된 뇌 기능을 담당하고 있음을 고려했을때, 편도체 연결성과 심박의 동조는 감사 명상 중의 감정 조절(emotion regulation)과 깊은 관련이 있다고 할 수 있을 것이다. 편도체의 기능적 연결성과 심박의 동조 현상은 원망 명상을 수행하는 중에는 발견되지 않았다. 

또한, 감사 명상 중의 심박은 측위신경핵-측두엽 연결성(temporostriatal functional connectivity)과 동조현상을 보였다(아래 그림의 오른쪽). 측위 신경핵은 보상회로의 중추적인 역활을 하는 영역이다. 이런 영역이 semantic remembering등의 기능을 담당하는 측두엽과 연결성이 있다는 것은 감사 명상 중에 떠올리는 감사와 관련된 여러가지 의미있는 경험과 기억들이 '지금의 내가 있음에 감사함.' 것과 무관할 수 없으니, 감사함을 생각하는 것 만으로 스스로에게 내적으로 보상이 될 수 있는 것이 아닐까? 그런 측면에서 측위신경핵-측두엽 연결성이 '감사'에 있어서 보상 회로와 관련 있다고 할 수 있지 않을까? (이 부분은 논문에 기술하지는 않았기 때문에 추측형으로...)


"감사하라, 그리하면 정신이 건강해질 것이다."

논문에서는 부모님에 대한 감사 (특히 엄마에 대한 감사) 명상의 효과를 연구한 것이긴 하지만 이를 확장해도 어느정도 정신적 건강에는 도움이 될 것이라고 생각한다. 지금 당신에게 스트레스를 주는 수많은 요인이 존재할 수 있다. 하지만 그 요인 자체만을 파고들어 스스로를 고통스럽게 하지 말고 잠깐의 여백을 주는 것은 어떨까. 당장의 긴밀한 인과관계가 존재하지 않더라도, '감사'의 대상을 떠올리며 나를 괴롭히는 것들로부터 거리를 확보해 보자. 감사 훈련은 감정 조절과 내적 동기를 증진시킬 수 있는 방향으로 뇌의 기능적 연결성을 변화시키기 때문에 장기적으로 훈련을 지속한다면 좀 더 건강한 나의 마음 가꾸기의 계기가 될 수 있을 것이다.


논문 원문 보기

Sunghyon Kyeong et al., Effects of gratitude meditation on neural network functional connectivity and brain-heart coupling, Scientific Reports 7:5058 (2017) link


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섬망 중 환자는 증상의 일중 변화를 보입니다.  수면각성 주기의 장애, 낮 시간 중의 졸림, 밤 시간에 잠 들기 어려움 등의 증상은 모두 일중 변화와 관련되어 있다고 할 수 있습니다. 이러한 증상의 일중 변화는 우리 몸(정확하게는 뇌) 안에 있는 생체시계(Circadian Clock)가 섬망 중에 오작동 했을 가능성과 관련 있을 것입니다. 여러 생체시계 중에서 마스터 시계라고 불리는 Suprachiasmatic Nucleus (SCN)은 다른 모든 Peripheral Organs의 생체리듬을 조절하는데 핵심적인 역할을 수행한다고 알려져 있습니다. 따라서 본 연구에서는 섬망 증상의 일중변화가 SCN이 오작동에서 기인했다는 가설을 세우게 되었고, SCN과 다른 뇌의 영역간의 기능적 연결성이 섬망 환자와 비섬망 환자군 간의 신경학적 차이를 연구하게 되었습니다. 

이번 연구에서 발견한 핵심 결과는 섬망 환자의 경우 SCN과 dorsal anterior cingulate 영역간의 기능적 연결성이 증가되어 있다는 것입니다. 반면에, SCN과 기본신경망 영역(left posterior cingulate cortex), parahippocampal gyrus, thalamus, 소뇌의 기능적 연결성은 섬망 환자에서 감소되어 있다는 것입니다. 특히 SCN과 소뇌와의 연결성은 섬망 증상이 심각한 환자에게서 더욱 감소되어 있음을 발견했습니다. 소뇌가 정신활동의 조절과 운영(mental coordination)에 관여하는 중요한 뇌의 영역임을 고려하면, 섬망 중에 SCN과 소뇌와의 연결성 감소는 섬망 환자의 수면각성장애와 증상의 일중변화와 연관되여 있을 것이다.

본 연구 논문의 원문은 다음 링크에서 확인 가능합니다.
(링크: 
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925492716303389)

<Fig. 1 in Psychiatry Research: Neuroimaging 264 (2017) 10-22>



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About iRSFC

  • iRSFC는 intuitive resting-state functional connectivity의 약자 입니다.

  • 가장 간단한 방법으로 휴자상태 뇌기능 연결성을 분석 할 수 있는 Matlab 기반의 툴박스 입니다.

  • 기능 뇌네트워크를 분석할 수 있는 프로그램들을 이미 많이 있습니다. 하지만, 너무 많은 기능이 들어 있어서 사용하기가 쉽지 않고 기존에 Event-related fMRI (ER-fMRI) 연구를 하시던 분들이 사용하시게에 생소한 부분들이 많이 있습니다. iRSFC는 ER-fMRI 연구를 하셨던 분들이 쉽게 사용할 수 있도록 디자인한 프로그램입니다. 

  • iRSFC toolbox를 구동하기 위해서는 SPM 툴박스를 미리 다운로드 받고 Matlab에서 Set Path를 설정해야 합니다.

Functionality

  • Seed ROI based functional connectivity analysis: seed로 설정한 뇌영역과 다른 모든 뇌영역간의 functional connectivity를 계산해서 zmap으로 저장하는 기능을 수항햅니다. 이후 분석은 SPM의 [Specify 2nd-level] 메뉴를 통해서 진행하면 됩니다.

  • Network analysis among ROIs: 연구자가 설정한 ROI 영역들간의 기능 연결성을 모두 계산해서 결과를 Comma Separated Values 의 형태로 저장하는 기능을 수행합니다. 이후에 분석은 SPSS 등으로 수행 가능합니다.

Download

  • 아래의 링크에서 간단한 설문에 응답해 주시면 다운로드 링크를 보실 수 있습니다.

  • 어떤 연구자들이 주로 프로그램을 사용하는지 알기 위한 설문이지, 최대한 성의것 응답해 주시면 추후에 프로그램을 업데이트 하는데 큰 도움이 될것 같습니다.

  • 깃허브Github 다운로드 링크: https://github.com/skyeong/iRSFC

Hands-on Exercise

  • 아래의 링크에 있는 메뉴얼을 다운로드 받아서 따라해 보세요^^

  • 다운로드 링크: slideshare

iRSFC Workshop Info

  1.  Sunghyon Kyeong, 'Hands-on workshop on intuitive Resting-State Functional Connectivity (iRSFC)', Department of Psychiatry, Chonbuk National University Hospital, 9 January, 2015. 
    (1) theoretical background on fMRI BOLD signal (40 min.) 
    (2) Hands-on exercise for fMRI preprocessing (60 min.) 
    (3) Hands-on exercise for iRSFC toolbox (90 min.) 
    (4) Multiple comparison issues and AlphaSim correction (20 min.)





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Smoothness estimation은 MonteCarlo simulation을 위해서 반드시 필요한 과정입니다.

SPM으로 영상 데이터를 분석했다면, SPM.mat 파일의 Field 값을 확인함으로써 smoothness를 확인할 수 있습니다.

>>load SPM; % SPM 결과 파일이 저장된 폴더에서 실행 >>M = SPM.xVol.M; % 변환행렬 정보를 가져옴 >>VOX = abs(diag(M)); % 대각행렬 정보가 볼셀 사이즈 >>FWHM = SPM.xVol.FWHM; % FWHM in voxel unit >>FWHMmm = FWHM.*VOX(1:3)'; % FWHM in mm unit >>disp(FWHMmm); 

SPM에서 Gaussian random field theory를 기반으로 smoothness를 estimation하고, 이것은 spm_est_smoothness을 통해서 계산됩니다. 

위의 과정을 통해서 확인한 FWHMmm 정보는 AFNI의 3dFWHMx의 명령어를 통해서 estimation한 smoothness와 완전히 동일하지는 않지만, 비슷한 수준의 값이 나와야 합니다. AFNI가 설치되어 있다면 다음과 같이 실행해 보세요. 

~>3dFWHMx -mask mask.hdr -input ResMS.hdr % SPM 결과 파일이 저장된 폴더에서 실행

여기서 얻은 smoothness를 기반으로 MonteCarlo simulation을 시행하면, 이것이 AlphaSim-corrected p-value가 됩니다.

관련 글은 다음의 링크에서도 확인이 가능합니다.
https://www.jiscmail.ac.uk/cgi-bin/webadmin?A2=spm;bb3ad6d.1308

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뇌과학 분야에서 출판한 첫 논문이기에 꼭 후기를 남기고 싶었다. 
물리학 분야에서 첫 논문이 출판되었을때 후기를 썼던 것 처럼... 

논문의 Manuscript가 대략적으로 완성된 시점은 2012년 12월 쯤으로 기억한다. 데이터 획득부터, 뇌영상 데이터의 분석, 그리고 논문 작성의 전체 과정에 직접 참여했기 때문에 나에게 의미가 더욱 각별하게 느껴지는 논문이다. 이번 연구는 "기질Temperament에 따라서 뇌네트워크의 연결성이 다르게 나타나고 그로 인해서 서로 다른 모듈 구조를 갖는다"는 것을 주요 결과로 하고 있으며, 논문 초안의 제목은 <Functional and morphometric neural mechanism underlying personality differences: Introverts vs. Extraverts> 으로 정했다. 인성의 외향성은 기질의 위험회피 척도와 자극추구 척도로 구분하는 것이 무리일 수도 있다는 것은 어느정도 예상했고, 특히 성격심리학자들이 보기에는 완전 엉터리로 들릴 수도 있겠다는 생각도 했다. 그리고 이러한 나의 생각은 여러 관련 분야의 선생님들께 조언을 구하는 과정에서도 가장 많이 질문 받고 또 진지하게 토론했던 부분이었다. 뭐, 처음이니까 부족한 부분이 있기 마련이고 부족한 부분은 저널 리뷰어들의 질문에 답을 하는 과정에서 보충 될 수 있지 않을까? 라는 생각에 여러 선생님들께 조언 받은것은 따로 정리는 해 두었지만, 처음 논문을 투고 할때는 보완하지 않았다. 

논문을 투고하기 전에 연구 결과의 해석과 결과의 타당성에 대해 전문가들의 조언을 듣고 싶었다. 처음 논문을 준비할때 공동 저자로 참여한 연구자들은 대부분 물리/공학을 기반으로 뇌과학을 연구했던 분들이었기 때문에, 논문의 특성상 심리학이나 정신의학 분야에서 뇌과학을 연구하고 있는 분들의 조언이 꼭 필요하다고 생각했다. 제일 먼저 찾은 곳은 성신여대 심리학과에 계신 K교수님과 여러 대학원생 선생님들이었다. 발표를 듣고 난 후에 대부분 "선생님들의 반응은 방법론과 결과에 대해서는 재미있으나, 기질 및 성격 검사(Temperament and Character Inventory, TCI)에서 측정된 위험회피(Harm Avoidance, HA) 척도와 자극추구(Novelty Seeking, NS) 척도로 내성적인 성향의 사람과 외향적인 성향의 사람을 구분하는 것은 위험한것 같다. 이미 성격심리학자들이 내성/외향을 구분하기 위해 개발한 성격검사지가 있는데, 그것을 사용하지 않고 연구자 임의로 내성과 외향을 정의하는 것은 많은 reviewer들에게 공격 받을 것이다." 라는 조언을 해 주셨다. 이후에 고려대학교 심리학과와 연세대학교 정신건강의학과를 연달아 찾아다니며 발표를 했고 조언을 구했으며, 세부적인 측면에서는 차이가 있었지만 큰 맥락에서는 대부분 비슷한 조언을 해 주셨다. 위험회피 척도와 자극추구 척도가 음의 상관관계에 있고 이들 두개의 척도로 그룹을 나누었다면, 그룹지어진 결과 그대로 'high HA and low NS' 그룹과 'low HA and high NS' 그룹으로 나누는 것이 더 설득력 있는 연구결과가 될꺼라는 조언이 지배적이었다.

여러 선생님들께서 조언해주셨던  부분에 대해서 저널 리뷰어에게도 비슷한 조언을 받았고, 어떤 부분이 부족한지 어느정도는 미리 알고 있었기에 내용을 보충하는데 큰 어려움이 있거나 많은 시간이 들지는 않았다. 하지만 연구 논문의 서론 부분이나 토의Discussion을 작성하는 과정에서 심리학자나 정신의학 분야를 전공하신 선생님들의 적극적인 도움 없이는 논리에 헛점이 발생할 수도 있겠다는 생각에 정신과 의사 선생님을 공동 저자로 섭외했고 도움을 받았다. 그러나, 처음 초안을 너무 허술하게 잡았기 때문에 부족한 부분이 많을 수 밖에 없었기 때문에 두번이나 논문 게재를 거절 당했다. 그래도 우여곡절 끝에 Brain Research라는 저널에서 논문 게재를 허락 받았으니 얼마나 다행인지 모른다. NeuroImage에 투고했던 논문을 수정/보완하여 Brain Research에 재투고 했었는데 NeuroImage와 Brain Research 모두 NPRC consortium에 멤버로 들어있는 저널들이었기 때문에 서로 Reviewer's comments를 공유해줬고, 논문 수락 process도 빨랐던것 같다. 초기에 논문 제출할때와는 달리 최종적으로 수락된 논문의 제목은 <Functional network organizations of two contrasting temperament groups in dimensions of novelty seeking and harm avoidance> 이다.

연구 결과는 International Workshop in NeuroDynamics 2014 (July 14-17 2014, Castro-Urdiales, Spain) 학회에서 처음으로 소개되었고, 발표 자료는 Slideshare를 통해 공개했다. 뭐든 처음이 가장 어렵다고 한다. 내게도 이번 연구가 뇌과학 분야에서는 처음으로 출판하는 논문이었기에 많은 시행착오가 있었다. 하지만 이번 논문 게재를 바탕으로 현재 진행중인 ADHD 환자의 Topology와 뇌네트워크 분석관련 연구도 잘 정리해서 논문으로 완성하는 날을 생각하번 벌써부터 가슴이 뛴다.

이 글을 통해서 공동저자로서 함께 결과를 내주신 여러 선생님들과 도움을 주신 모든 분들께 다시한번 감사인사를 드립니다. ^.^


작성자: 뇌과학자 경성현

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This posting is based on the journal review "Abnormal Functional Connectivity in Children with Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder by Dardo Tomasi and Nora D. Volkow."

주의력결핍및과잉행동장애(Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder, ADHD)는 다음과 같은 특징을 보인다.

  • 주의력 결핍과 과잉/충동적인 행동 양상일 보인다.
  • 동기부여 장애가 동반된다는 인식이 증가되고 있다.
  • 뇌의 도파민 신경전달물질 분비에 손상이 있다.

ADHD는 PET연구에서 reward-motivation pathway (midbrain, caudate, and ventral striatum)의 도파민 신경전달이 비정상적인 것으로 나타났다. reward-motivation pathway의 결함은 주의력 결핍과 낮은 동기부여와 관련이 있다 [1,2]. 전두엽피질의 도파민 부족은 '주의집중장애'를 일으킨다고 알려져 있다. 

도파민은 대체로 억제성 신경전달물질이기 때문에, 도파민 시냅스의 활동을 증가시키는 약물들은 다른 많은 뉴런들의 활동을 감소시키고 여러 뇌 부위에서의 전체적인 활동을 감소시킨다. 뇌의 전체적인 활동을 감소시키는 약물이 어떻게 각성과 활동의 증가 및 집중력 향상을 이끌어 내는지 의아할 것이다. 이에 대한 한가지 설명은 도파민의 활동이 높아지면 뇌의 '배경잡음'이 대부분 감소되고, 따라서 신호 대 잡음비가 증가된다는 것이다. -생물 심리학(제6판, 시그마프레스) 중-

또한, resting state fMRI 연구에서는 inferior frontal and superior parietal cortices, cingulum, and cerebellum 등의 영역에서 BOLD 신호의 low frequency fluctuation (LFF) 값이 갑소된 것으로 밝혀졌다.

그렇다면 ADHD 환자의 parietal cortex 영역과 anterior cingulum 영역에서 LFF가 감소한 것을 신경병리학적 측면에서 어떻게 이해할 있을까? [3]

  • parietal cortex 영역에서의 LFF 신호 감소는 ADHD 환자들에게서 executive-attention 기능이 떨어져 있기 때문으로 이해할 수 있다.
  • 또한, reward-motivational network에서 중요한 역할을 수행하는 anterior cingulum 영역의 LFF 감소는 ADHD 환자들이 보상과 동기부여와 관련된 기능을 제대로 수행하지 못함으로 해석할 수 있다.

Tomasi and Volkow는 ADHD에서 나타나는 비정상적인 functional connectivity density (FCD)가 reward-motivational (ventral striatum and orbito-frontal cortex), attention (parietal cortex), and executive (dorsal cingulate) 영역들과 관련이 있을 것이라는 가정하에 몇가지 분석을 수행했다.

연구 결과 중에 관심있게 본 것은, 약물에 한번도 노출되지 않은 (medication naive) ADHD 환자의 경우에 OFC/insula and ventral striatum 영역의 short-range FCD가 정상인 집단 보다 높다는 것이다. 하지만, 약물치료를 받은 ADHD 환자와 정상인 집단간의 OFC/insula와 ventral striatum 영역의 short-range FCD는 차이를 보이지 않았다. 저자들은 이것을 통해서 'ADHD 치료를 위한 stimulant medication이 reward-motivation 영역의 short-range FCD를 회복시키는 역할을 수행한다'고 주장하고 있다.

임상에서 사용되는 중추신경자극제(Medication Stimulant)는 단기적으로 dopamine 등 신경전달물질을 활성화 시키고 ADHD에 흔히 수반되는 주의 산만함, 과잉 활동과 충동성 등을 감소시키고, 집중력, 기억력, 학습 능력이 전반적으로 좋아진다고 알려져 있다.


References:

  1. Volkow N, Wang G, Kollins S, Wigal T, Newcorn J, Telang F, et al. (2009): Evaluating dopamine reward pathway in ADHD: Clinical implications, JAMA 302: 1084-1091.
  2. Volkow N, Wang G, Newcorn J, Kollins S, Wigal T, Telang F, et al. (2011): Motivation deficit in ADHD is associated with dysfunction of the dopamine reward pathway. Mol Psychiatry 16:1147-1154.
  3. Rubia K, Halari R, Cubillo A, Mohammand A, Brammer M, Taylor E (2009): Methylphenidate normalises activation and functional connectivity deficits in attention and motivation networks in medication-naive children with ADHD during a rewarded continuous performance task. Neurophamocology 57:640-652.


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