시상 신경신호의 시간-주파수 분석에 기반한 대뇌피질 전기자극의 신경병증성 통증 완화특성 분석

Abstract

본 연구는 말초신경 손상으로 신경병증성 통증이 유발된 쥐 모델을 대상으로 하며 시상 신경신호의 시간-주파수 특성을 관찰하여 통증특이적 지표를 결정하고, 다양한 자극률의 전기자극을 대뇌피질에 가하여 자극률에 따른 통증지표의 변화를 통한 통증 완화특성 분석을 목적으로 한다. 정상 쥐 10마리와 통증모델 쥐 10마리에 대해 실험하였다. 통증 자극은 동맥집게를 이용해 제시되었고, 전기자극은 자극 세기는 100 μA, 자극폭은 60 μs의 양극성 자극이며 10 Hz, 50 Hz, 90 Hz, 130 Hz의 다양한 자극률로 구성하였다. 동일한 뒷발통증자극에 의해 정상 쥐 군과 통증모델 쥐 군에서 감마 (80–150 Hz) 대역 파워 의 증가와 낮은 주파수 (1-10 Hz) 대역 파워의 감소가 발생하였고, 특히 통증모델 쥐 군에서는 자극이 종료된 이후에도 이러한 신경응답이 일정시간 유지되다가 자극 이전으로 회복되는 현상이 나타났다. 반면, 정상 쥐 군은 자극이 종료되면 신경응답이 유지되지 않았다. 따라서 자극종료 이후 구간 (20초)에서 통증모델 쥐의 과도한 감마 대역 파워 증가와 낮은 주파수 대역 파워 감소를 첫 번째 통증지표로 결정하고, 뒷발통증자극으로 유발된 두 주파수 대역의 파워의 회복시간을 두 번째 통증지표로 결정하여 전기자극에 의한 통증지표의 변화를 관찰하였다. 10 Hz에서 130 Hz까지 다양한 자극률로 대뇌피질을 전기자극한 결과, 통증모델 쥐 군에서 50 Hz 이상의 자극률로 전기자극하면 자극종료 이후 구간의 감마 대역 파워와 낮은 주파수 대역 파워가 정상 쥐 군 수준으로 감소되었고, 자극률 증가에 따라 두 대역 파워의 회복시간도 유의하게 짧아지는 결과를 보였다. 즉, 이는 대뇌피질 전기자극이 통증의 하행경로에 영향을 주며, 자극률에 따라 통증에 대한 신경응답이 조절 될 수 있음을 의미한다. 본 연구의 결과는 시상 신경신호의 주파수 분석을 통해 결정된 통증지표가 대뇌피질 전기자극에 의해 정상 수준으로 변조될 수 있으며 특히, 자극률에 영향을 받는 통증 완화특성을 갖고 있음을 시사한다. 또한, 높은 자극률의 전기자극에 의해 신경응답이 정상 수준으로 회복되는 결과도 기존의 쥐의 통증 회피가 감소되는 행동반응 결과와 일치된다. 최종적으로 행동반응과 신경응답에 기반한 통증지표의 통합적 분석은 환자에게 자극 조건을 최적화 시킬 수 있는 폐루프형 (closed loop) 전기자극 시스템 제작에 도움이 될 것으로 예상한다.