뇌손상 후 기능회복 : 신경가소성(Neuroplasticity)
뇌손상과 기능
현대 의학의 발달로 여러 가지 유형의 뇌손상(brain injury) 후 생존하는 사람들이 나날이 증가하고 있다. 생존이후의 회복은 중추신경계의 신경가소성에 의존한다. 살아남은 사람들 중 일부는 좋은 기능 상태로 회복되지만, 대부분은 다양한 측면에서 장애를 가지게 될 수도 있다. 이런 장애는 단순히 국소적인 문제에서 오는 것이 아니라 중추신경계의 손상으로 인해 일시적인 문제가 아니라 지속적으로 남아 개인의 삶의 질을 떨어뜨리는 원인이 된다.
중추 신경계의 고전적인 기본 개념은 성인이 된 후에는 신경이 재생되거나 발달할 수 없다는 것이었다. 과거의 이론을 빌자면 뇌손상 후 기능회복은 기대하기 어렵다는 것이다. 주어지는 후유는 평생을 안고 가야할 개인적인 문제가 되어 버린다는 의미이다.
하지만, 1940년대에 이르러 이런 뇌손상 후 가져오는 기능회복에 대한 새로운 이론을 제시한다. Hebb는 새로운 환경을 경험하면 신경의 연결에 변화가 일어나는 현상이 일생을 통해 일어나는 것을 제시하였고, 성인의 중추신경계는 비록 제한되어 있지만 재생능력을 가지고 자극에 대한 구조와 기능이 변화됨이 밝혀지고 있다. 결국, 뇌손상 후 기능회복은 가능하다는 것이다.
뇌손상 후에는 상당한 양이 자발적 회복이 이루어지게 되는데, 이것은 세포에 치명적이지 않은 부종과 같은 가역적 변화들이 사라지기 때문에 일어날 수 있으며, 이런 측면의 회복은 주로 며칠 이내에 일어나는 자연스러운 현상이다. 그러나 급성기 이후에 일어날 수 있는 다른 측면의 회복은 신경가소성(Neuroplasticity)과 관련이 된다.
신경가소성 (Neuroplasticity) 이란?
신경가소성[영상] 이란 중추신경계의 손상 후 뇌가 재구성(reorganization) 혹은 재배치(remodel)하는 능력을 일컫는 것으로 주위 환경이나 병변에 맞도록 대뇌피질의 기능과 형태가 변하는 신경계의 적응(neural adaption)과정이라 할 수 있다. 이렇게 신경가소성에 의해 일생동안 지속적으로 경험에 의해 뇌의 신경 경로의 개조와 재조직이 일어난다.
신경가소성은 장난감과 여러 가지 장애물을 설치한 환경에서 길러진 동물들의 연구를 통하여 증명되었다. 이들 연구에서의 동물들은 자극이 없는 동물들보다 가지돌기(dendrite)에서 나오는 가지들이 더 많았고 신경세포 하나에 연접하는 수도 더 많았으며, 뇌에서 특정 단백질의 생성을 위한 유전자의 발현이 매우 높게 나타났다.
재활치료의 측면에서는 이러한 신경가소성으로 인하여 궁극적으로 행동학적 변화, 즉 기능회복이 일어나는 것이 바람직하지만 신경가소성의 변화는 기능회복에 적응적(adaptive)일 수도, 비적응적(mal-adaptive)일 수도, 혹은 기능회복과 아무런 상관이 없을 수도 있다.
즉 변화에 대한 방향에 대해 예측을 하기 어렵다는 것이다. 하지만. 신경가소성이 가지는 중요한 부분은 바로, 연습(practice)과 치료(intervention)에 의해 신경가소성이 촉진될 수 있으므로 다양한 치료적 중재를 통해서 신경가소성이 바람직한 방향으로 일어나도록 하는 것이다.
물론 신경학적 회복 자체로도 가소성이 일어나지만 운동 습득과 회복 모두 연습이 반복되어야 가소성이 효과적으로 일어나게 된다. 또한 최근에는 뇌손상 후 회복과 운동 습득의 가소성 변화가 비슷한 기전으로 일어나는 것이 알려지면서 이에 대한 중요성이 더욱 강조 되었다. 따라서 자발적 회복을 도와 보다 나은 치료를 위하여 각 수준의 가소성에 대해서 그리고 상호 관련성에 대해 더 잘 이해할 필요가 있다.
뇌손상 후 기능회복 어떻게 되나요?
뇌손상 후 나타나는 기능회복의 단계는 크게 초기와 후기 회복기로 나눌 수 있다. 초기에 일어나는 회복기전은 출혈, 부종, 세포막의 대사성 기능 상실, 이온과 전달물질의 불균형 등으로 회복되는 것이고, 후기에 일어나는 회복기전은 손상 후 수개월에서 수년에 걸쳐 기능적 상실에 대해 손상되지 않은 신경구조들이 생리적 또는 기능적으로 보상하는 과정을 말한다.
초기 회복기전
뇌손상 후 첫 며칠부터 몇 주까지의 기간 동안 일어나는 변화를 말한다. 뇌경색의 경우, 초기 회복기전은 부분적인 허혈 또는 허혈성 음영(ischemic penumbra)영역에 혈액순환이 재형성되거나, 혈전용해 치료 후 재관류가 일어나는 것이며 허혈 반음영은 대뇌산소를 측정하거나 확산강조 MRI와 관류 MRI에서 나타나는 병변의 크기를 비교하여 차이를 보이는 영역으로 그 크기를 추정할 수 있다. 이 영역에 산소가 다시 공급되기 전가지 뇌세포를 보호하여 뇌손상을 최소화기 위한 여러 시도가 이루어지고 있으며 각종 신경보호 약물들이 새로 개발되고 있다.
** 허혈성 음영(ischemic penumbra)
허혈 상태에서 뇌세포가 완전히 죽지는 않아, 재관류시 조직의 회복이 가능한 부분을 허혈성 음영(ischemic penumbra)이라고 하며, 혈전 용해제로 혈관을 막는 혈전이 용해되면 이 부분은 회복이 가능하다. 이 부분의 회복을 위해 혈전 용해제를 투여하며, 재관류율은 25~70% 정도로 평가된다.
효과적인 재관류를 위해서는 정맥내 주사(intravenous injection, IV)로 뇌졸중 발생 후 3시간 이내에 조직 타입 플라스미노겐 활성화제(Tissue-type Plasminogen Activator, rt-PA)를 투여한다. 그러나, 뇌졸중 발생 후 3시간 이내에 환자가 병원에 도착하는 경우가 많지 않아 효과가 크지는 못하다.
매우 제한적인 경우에 한해 동맥내 주사(intraarterial injection, IA)로 유로키나제(urokinase)를 투여하는 방법이 6시간까지는 효과가 있다고 알려져 있다. [출처] – 위키백과 뇌졸중 에서
후기 회복기전
축삭재생과 싹돋음(axonal regrowth and col-lateral sprouting)
말초신경 손상 회복의 주요한 기전인 축삭의 재성장과 싹돋음은 중추신경계에서도 나타나는 것으로 최근 알려지고 있다. 싹돋음의 형태는 곁가지(collateral)와 재생성(regenerative)싹돋음 두 가지가 있다. 곁가지 싹돋음은 인접해 있는 신경세포의 가지 돌기들이 신경 지배가 차단된 신경세포를 재 신경지배할 때 발생한다.
곁가지 싹돋음은 신경지배가 차단된 신경세포가 인접해 있는 신경세포의 정상적인 축삭의 가지들로 다시 신경 지배를 받을 때 나타난다. 재생성 싹돋음은 축삭과 그 축삭의 목표 세포(신경세포, 근육, 샘)가 손상되었을 때 나타나며, 손상된 축삭에서 새로운 목표 신경세포로 곁가지를 내게 된다.
표상가소성(representative plasticity)
대뇌피질의 감각 및 운동신경은 변화되는 요구에 따라 적응을 하는데 이를 나타내는 전기 생리학적 연구 및 대사성 영상 연구에 따르면 이러한 가소성이 성인의 대뇌피질에서 편재하고 있는 것이 특징이다. 운동기술을 습득할 때 새로운 표상지도가 형성되기까지의 과정은 다음과 같다.
목표지향적 운동과제가 설정되면 반복훈련을 통해 운동피질에서는 감각욕구가 발생하며 감각운동 되먹임이 형성되고 잠복성 신경연접이 탈은폐(unmasking)되어 운동에 대한 피질내 신경의 표상지도가 확대된다. 이후로 이 운동에 관련된 감각운동피질과 척수운동 연결에 대한 신경연접 효율이 증가되며 가지돌기(dedritic spine)의 가지치기와 가지의 성장이 증가되어 결국 숙달된 운동기술에 대한 지속적인 피질 및 피질하 표상 지도가 형성되는 것이다.
대뇌겉질의 기능적 재구성
대뇌 반구에 병소가 발생하면 반대쪽 반구에서 병소의 운동기능을 수행하는 것이 동물실험과 대뇌반구 절제술과 뇌량 절제술을 받은 환자를 통해 알려지게 되었다. 성인의 뇌에서, 겉질 영역은 정보를 처리하고 새로운 기능을 개발시키는 능력을 유지하고 있다.
개개 연접의 변화는 뇌의 재구성을 초래하여 기능적으로 중요한 결과를 가져올 수 있다. 만약 어떤 사람이 숙련된 운동과제를 정기적으로 수행한다면, 그 영역의 겉질 대응영역이 확대될 수 있다. 예를 들어, 현악기 연주자들은 왼쪽 손의 손가락 영역이 보통 사람들에 비해 더 확대되어 있고, 오른쪽 손의 손가락 지도는 그대로다.
뇌 종양 수술 후 손에 불완전 마비를 갖게 된 환자들의 기능적 자기공명영상(fMRI)은 의미 있는 뇌의 재구성을 보였다(reinges 등 2005). 위 그림은 재활 전과 후에 FMRI의 변화를 나타낸 것이다. 재활 전에는 오른쪽에 있는 운동 겉질에서 많은 영역이 활성되었지만(A), 재활 이후 후 같은 과제를 수행할 때 같은 쪽을 포함하여 뇌의 여러 영역이 활성화 되었다(B).
신경가소성이 학습과 손상 후의 회복 기전들을 설명하는데 이용되고 있으며, 신경가소성이 신경계의 손상으로부터 회복을 가능하게 하지만, 운동 회복을 최대로 이끌기 위해서는 능동적인 운동이 중요하다.
신경가소성과 운동학습
학습(learning)은 뇌의 변화를 의미하기 때문에 가소성은 학습에 반드시 필수적이다. 학습과 기억은 단기적이고 가역적인 변화를 보이는 습관화와는 달리, 연접 연결의 강도에서 지속적이며 영구적인 변화를 갖는다(Wiersma-Meems 등, 2005).
뇌가 학습하는 동안, 뇌는 변화하고 이것과 유사한 변화가 손상으로부터의 회복에도 일어나는 것으로 보인다. 뇌 영상 기법을 이용한 연구에서 운동 학습의 초기 단계 동안에는 뇌의 크고 광범위한 부위에서 연접 활동이 나타나고, 과제가 반복됨에 따라 뇌에서의 활성 부위 수가 감소하며, 한가지의 작고 특정한 부위에서만 활성이 증가됨을 보였다.
