바이오인

통증과 쾌락의 뇌 속 ‘교차점’ 찾았다

- 기능적 자기공명영상으로 통증·쾌락에 모두 반응하는 뇌 영역 확인 -

- 통증-쾌락 간 상호작용 통해 만성통증 환자의 우울 증상 이해 기대 -

◈본문

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단 우충완 부연구단장(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀은 서울대학교 최명환 교수 연구팀, 미국 다트머스대학교 토어 웨이거 교수 연구팀과 공동으로 통증과 쾌락의 감정 정보가 뇌에서 어떻게 공통으로 표상되는지 밝혔다.

통증과 쾌락은 부정적·긍정적인 감정의 대표로, 서로 무관해 보이지만 연결돼 있다. 예시로 통증은 쾌락의 수준을 감소시키는 반면 쾌락은 통증의 수준을 감소시킨다. 이러한 상호작용이 일어나는 뇌 영역 후보로 통증과 쾌락에 모두 반응하는 영역이 여럿 제안돼왔다. 다만 기존 연구는 주로 쥐와 같은 소동물 대상으로 이뤄졌으며, 특히 사람을 대상으로 통증과 쾌락을 모두 유발한 연구는 극히 드물었다.

이에 연구팀은 한 개인 내에서 통증과 쾌락이 처리되는 뇌 영역을 확인하고자, MRI 기기 안에서 참가자에게 캡사이신 용액(통증 자극)과 초콜릿 용액(쾌락 자극)을 지속적으로 전달할 수 있는 실험 기기를 개발했다. 참가자가 MRI 기기 안에서 통증과 쾌락을 경험하는 동안 기능적 자기공명영상(functional MRI, fMRI)으로 뇌의 활동 패턴을 기록했다. 동시에 참가자는 각 경험에 대한 불쾌함·유쾌함의 정도를 점수로 계속 보고했다. 자극이 전달되면 참가자의 감정 점수는 높아져 일정 수준을 유지했다가, 자극 전달이 끝나면 서서히 낮아지는 형태를 띠었다.

연구팀은 참가자 58명의 영상 데이터에 기계학습 알고리즘을 적용해 뇌의 어떤 영역이 통증과 쾌락에 반응하는지 확인했다. 유의미한 반응을 보이는 뇌 영역 중 두 가지 경험에 모두 반응하는 뇌 속 공통 영역을 찾아냈다. 통증과 쾌락에 모두 반응하는 공통 영역은 뇌섬엽, 편도체, 전전두엽 피질 등 여러 개이며, 이곳에서 통증과 쾌락의 감정 정보를 공통으로 표상한다는 점을 확인했다.

더 나아가 여러 공통 영역의 뇌 활동 패턴을 분석해 변화하는 유쾌·불쾌 감정 점수를 예측하는 두 가지 모델을 개발했다. 각 예측모델은 감정의 부호(affective valence; 유쾌, 불쾌)와 감정의 강도(affective intensity; 강함, 약함)를 예측하는데, 이들은 통증과 쾌락 간 상호작용을 나타내는 정보다. 두 예측모델은 새로운 참가자 61명의 fMRI 데이터에서도 감정의 부호와 강도를 모두 성공적으로 예측했다.

감정의 부호와 강도를 예측하는 뇌 활동 패턴은 공통 영역 상에서도 공간적으로 구별됐으며, 각 활동 패턴은 서로 다른 뇌 기능적 네트워크 뇌 기능적 네트워크: 특정 인지 기능을 담당하는 서로 연결된 여러 뇌 영역의 집합체(functional networks)와 연결돼 있었다. 이는 우리 뇌가 통증과 쾌락 간 상호작용을 다양한 정보로 처리함을 의미한다.

제1저자인 이수안 IBS 뇌과학 이미징 연구단 연구원은 “이번 연구는 통증과 쾌락이 불쾌함·유쾌함의 감정 정보를 통해 서로 영향을 미친다는 것을 보여준다”며, “감정 정보가 단일 뇌 영역보다는 여러 뇌 영역에 걸쳐 표상될 수 있음에 주목해야 한다”고 말했다.

우충완 부연구단장은 “통증과 쾌락에 관한 개별 연구는 있었지만, 한 개인 내에서 통증과 쾌락을 모두 유발해 비교한 연구는 거의 이루어지지 않았다”며, “통증과 쾌락 간 상호작용을 통해 만성통증 환자에게 나타나는 우울 증상의 뇌 기전을 이해하는 데 기여할 것으로 기대된다”고 전했다.

연구결과는 국제학술지 ‘미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)’ 온라인판에 6월 11일 실렸다.

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 [그림1] 통증과 쾌락의 감정 정보 예측에 중요한 뇌 영역들

통증과 쾌락에 공통으로 반응하는 뇌 영역. 특히 감정의 부호와 감정의 강도를 예측하는 뇌 활동 패턴에 중요한 뇌 영역들이 표시됐다. 감정의 강도를 예측하는 데는 앞쪽 복측 뇌섬엽(ventral anterior insula)과 편도체(amygdala)의 오른쪽 복측(right ventral), 왼쪽 배측(left dorsal) 영역이, 감정의 부호를 예측하는 데는 편도체의 왼쪽 중심 내측(left centromedial)과 오른쪽 표면측(right superficial) 영역, 복내측 전전두엽피질(ventromedial prefrontal cortex)이 각각 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다.

[그림2] 감정의 부호 및 강도와 연결된 뇌 기능적 네트워크

감정의 부호는 변연계(limbic) 및 디폴트모드(default) 네트워크가, 감정의 강도는 복측 주의(ventral attention) 네트워크가 연결돼 있다. 오른쪽 그림은 7개의 뇌 기능적 네트워크가 각각 감정의 부호 및 강도와 연결된 비율을 나타낸다.

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