뇌신경망 가소성 및 재조직 기능 연구

연구책임자: 김 연 희 포천중문의대 재활의학과 부교수

2차년도의 연구목표 및 내용

  뇌 신경망의 가소성 및 재조직 기전 규명 – 운동 신경망의 가소성 및 재조직 기전 규명 • 대뇌피질, 피질하부 및 뇌기저핵 등 운동신경망의 손상부위에 따 른 신경망 재조직 양상 규명 • 뇌손상 후 시간에 따라 신경망재조직의 양상변화와 운동기능과의 연관성 규명 – 주의력 장애와 관련된 뇌 신경망 변화 및 가소성과 재조직 규명 • 인지재활훈련에 따른 변화 • 약물 처치에 따른 변화 DB 관리 S/W의 보완과 표준뇌 완성을 위한 DB 구축 – DB 관리 S/W의 보완 • 검색 조건의 추가, 영상 출력의 다양화, GUI 환경 개선 등의 S/W 수정 및 보완 – 성별에 따른 DB 구축 • 성별에 따라서 100 case 이상의 데이터 획득

연구 내용

 운동 신경망의 가소성 및 재조직 기전 규명 – 훈련에 의한 운동피질의 재조직 양상 규명 – 손상부위에 따른 운동신경망의 회복기전 주의력 장애와 관련된 뇌 신경망 변화 및 가소성과 재조직 규명   – 뇌손상 환자에서 인재재활 훈련 후 신경망의 변화 양상 규 명 – 뇌손상 환자에서 약물처치 후 신경망의 변화 양상 규명 DB 관리 S/W의 보완과 표준뇌 완성을 위한 DB 구축 – DB 관리 SW의 수정 및 보완 – 성별에 따른 DB 구축

연구 결과

1. 운동 신경망의 가소성 및 재조직 기전 규명

뇌졸중 후 단기간의 집중 훈련 후 운동신경망의 재조직 양상 규명 (n=8)

Clinical Test & fMRI Gross Motor Activities Fine Motor Activities Occupational Therapy Intensive Training 5~6 hours with constraint or without constraint Clinical Test & fMRI

Good Function & Plasticity Pre-Training

Patient 1

Post-Training

Patient 2

Moderate Function & Plasticity Pre-Training

Patient 3

Post-Training

Patient 4

Moderate Function & Plasticity Pre-Training

Patient 5

Post-Training

Patient 6

Poor Function & Plasticity Pre-Training

Patient 7

Post-Training

Patient 8

만성 뇌졸중 환자에서 과제지향적 치료에 의한 대뇌피질 활성화 양상의 변화(1.5T fMRI) fMRI images before (A), and after (B), task-oriented training for 4 weeks. The contralateral SMC was newly activated in 2 patients (patients 1, and 2; single arrow).

Ipsilateral contralateral Post-TT; SMC PMC was activity disappeared in 2 patients (patients 3, and 4; double arrow). The ipsilateral PMC (patient 1) and SMA (patient 3) disappeared and the newly activated in patient 2. Pre-TT; Pre Task-oriented Training Program, Post-Task-oriented Training Program.

미만성 축색 손상환자의 운동신경기능 회복 기전 (fMRI & TMS) (n=8) The contralateral primary sensori motor cortex centered on the precentral knob was activated by the hand movements in a control subject (A) and in a patient (arrow) (C). The motor evoked potential (MEP) recorded from an abductor pollicis brevis muscle on stimulating the contralateral hemisphere in the same control subject (B) and in the same patient (D). The MEP of the patient subject.

was dispersed compared with that of the control

뇌손상으로 인한 편마비환자에서 보상운동패턴이 있는 환자의 대뇌피질 활성화 양상 (n=12)

Compensatory Movement Pattern Non-Compensatory Movement Pattern

Compensatory group Non-compensatory group Average No.of activated voxels of contra. SM1 Unaffected Affected 62 76 135 7 Percent of patients showing ipsilateral SM1 Unaffected Affected 0 0 83% 0

2. 주의력 장애와 관련된 뇌 신경망 변화 및 가 소성과 재조직 규명

뇌손상 환자에서 인재재활 훈련 후 정확도 및 반응시간의 변화 (n=4)

Accuracy Data (%)

80.0% 70.0% 60.0% 50.0% 40.0% 30.0% 20.0% 10.0% 0.0% 60.2% 68.5% Attention 47.2% 58.4% Working Memory Pre Post 300 200 100 0 600 500 400

Reaction Time (msec.)

571 494 516 434 Attention Working Memory Pre Post

뇌손상 환자에서 인재재활 훈련 후 신경망의 변화 양상 (n=4) Visuospatial Attention Task

Pre-Training Post-Training

Cingulate Activity pre- and post CogRehab Training

Visuospatial Attention Task

Pre-Training Post-Training

뇌손상 환자에서 인재재활 훈련 후 신경망의 변화 양상 (n=4) Verbal Working Memory Task

Pre-Training Post-Training

뇌손상 환자에서 콜린성 약물 처치 후 정확도 및 반응시간의 변화 (n=4)

Accuracy Data (%)

90.0% 80.0% 70.0% 60.0% 50.0% 40.0% 30.0% 20.0% 10.0% 0.0% 57.4% 79.7% Attention 57.7% 63.2% Working Memory

Reaction Time (msec.)

Pre Post 700 600 500 400 300 200 100 0 546 489 Attention 613 566 Working Memory Pre Post

뇌손상 환자에서 콜린성 약물처치 후 신경망의 변화 양상 (n=4) Visuospatial Attention Task

Pre-Training Post-Training

Subtraction Map (Post minus Pre Medication)

Pre-Medication Post-Medication

뇌손상 환자에서 콜린성 약물처치 후 신경망의 변화 양상 (n=4) Verbal Working Memory Task

Pre-Training Post-Training

3. DB관리 S/W의 보완과 표준뇌 완성을 위한 DB 구축

연구 목표, 필요성, 범위    연구 목표 – DB 관리 S/W를 보완하고 표준뇌 완성을 위한 DB를 구축하여 한 국인이나 동양인에 맞는 표준뇌를 개발한다.

연구의 필요성 – 현재 대부분의 뇌기능 영상 분석 S/W는 서양인의 표준 뇌를 Template로 사용 (ex. SPM 99

–

Talairach system) – 한국인 뇌는 서양인의 뇌와 형태학적, 해부학적 차이가 있음 – 한국인의 기능적 뇌 지도의 정확도를 높이기 위해서는 한국인의 해부학적 표준뇌가 필요 연구의 범위 – 검색조건의 추가, 영상 출력의 다양화, GUI 환경 개선 등의 DB 관 리 S/W 수정 및 보완 – 성별에 따라서 100 case 이상의 데이터 획득

연구 내용 DB 관리 S/W 보완    DB Table 수정 – 질문지와 검사지를 바탕으로 데이타를 효율적으로 관리할 수 있도 록 피검자 정보들을 일관성있게 분류하여 새로이 설계 S/W 수정 – 새로운 DB Table과 연계되도록 GUI 개선 – 모든 객관적 데이터 검색기능 추가 피검자 정보 및 질문지 내용 – 피검자 기본정보, 현재병력, 과거병력, 행동과 생활습관, 능력과 취미, 현재건강과 신체상태, 영상정보 등을 포함 – Edinburgh Handedness Inventory, State-Trait Anxiety Inventory, Type A Behavior, Self-Rating Depression Scale, 사상체질 검사, Symptom Checklist, 지능진단 검사, 성격요인 검사 등을 포함

Graphic User Interface 사용자 인증 ODBC설정, 데이타삽입, 데이타삭제, 검색 피검자 정보 피검자 영상

Data Input Graphic User Interface 피검자자기본정보 현재 병력 사항 과거 병력 사항 행동 & 생활습관 영상 정보 능력 & 취미 현재건강과 신체상태 질문지 검사 기록

연구 내용 성별에 따른 DB 구축    Pulse sequence – 3D MP_RAGE (Inversion Recovery Gradient Echo Type) Parameters – TR = 10 ms, TE = 4 ms, TI = 100 ms, – FOV = 220  192  192 mm, # of Slices = 128 – Slice Gap = 0, Slice Thickness = 1.5mm

– Matrix Size = 256  224  128 획득된 피검자 수 및 연령정보 인 인 인인 인인(인) 60 인인(인) 23.9±2.7

61 21.9±2.0

121 22.9±2.6

향후 계획

과제목표 운동 신경망의 가소성 및 재조 직 기전 규명 향후계획 뇌손상 후 시간에 따라 신경망재 조직의 양상변화와 운동기능과의 연관성 규명 주의력 장애와 관련된 뇌 신경 망 변화 및 가소성과 재조직 규 명 DB관리 S/W의 보완과 표준뇌 완성을 위한 DB 구축 인지 훈련과 약물처치의 대상수 추가 인지 훈련과 약물처치 후 connectivity의 변화 양상 규명 GM, WM, CSF 등의 segmentation 및 volumetry 20대와 40대의 성별 표준뇌 완성 및 비교분석