출처: 책 " The Cognitive Neuroscience" A BRADFORD BOOK THE MIT PRESS, Chapter 4. 저자: Jon H. Kaas

The Reorganization of Sensory and Motor Maps in Adult Mammals

초록

발육 단계에 있는 포유동물의 대뇌피질 감각 표상은 가소성을 지니고 있으 며 특정 기간동안의 환경적 영향에 의존한다는 사실은 오래 전부터 잘 알려져 있었다. 한편, 성장한 포유동물의 피질지도(cortical maps)의 신경세포 수용 야(receptive fields)도 학습(learning), 경험(experience), 자극의 상태 (conditions of stimulation)에 의존하여 동적으로 변화하는 것으로 인식되 고 있다. 감각계 표면의 손상 등은 감각지도(sensory maps)의 재조직화 (reorganization)를 유발하는 주요한 요인이다. 이와 같은 변화는 청각계, 체 성감각계, 시각계 그리고 운동계에 대하여 피질(cortical)과 피질이하 (subcortical) 수준에서 설명되고 있다. 피질지도에서의 어떤 변화는 감각계 조작 후에 바로 생기는 경우가 있다. 어떤 변화는 수 일에서 수 주에 걸쳐서 변 화가 나타나는 경우가 있다. 성장한 동물의 감각계와 운동계의 가소성은 훈련 에 의한 감각, 운동의 숙달, 감각계 손상에 대한 조정, 중추신경계 손상의 복 구 등을 가능하게 해주는 것으로 보인다.

The Dynamic and Changeable Quality of Sensory Representations

신체의 일부를 절단하거나, 감각 신경을 비활성화 시키거나, 망막손상, 피 질에 전기자극 등을 가하면 중추신경의 수용야(receptive field)에서는 즉각적 인 변화가 생긴다. 이런 현상은 통상적으로 "선택적 증강(selective attention)" 또는 "흥분성, 억제성 성분을 약화" 로써 설명한다. 시냅스 다이 나믹스를 잘 모르며 몇몇 가능성만이 제시되고 있다. 예를들어 신경절단은 억제 성 결합을 이루고 있는 뉴런의 활동성을 약화시키고 그 결과 역치이하 입력에 대해서도 반응하게 된다고 볼 수도 있다. (화학적으로 억제성 결합을 약화 시키 면 뉴런의 수용야는 즉시 확대된다.) 또 한가지 가능성은 신경전달물질에 의한 것으로, 노르아드레날린과 콜린성 뇌간 투사계는 고통이나 강한 자극 그 외 특 정 자극에 의하여 활성화된다. 흥분성 신경전달물질은 역치 이하의 활동도 강하 게 만들 것이다. 신체절단이나 신경제거 직후에 체성감각계의 동측(同側)과 반 대측에서 수용야의 확대가 나타나는데 이는 광범위하게 연루되어 있음을 시사한 다.

The ability of all cortical maps to reorganize

감각계 표상의 단기적인 변화 외에도 상대적으로 시간이 많이 필요한 극적 인 변질도 발생한다. 이와 같은 느린 변화는 단백질 합성, 뉴런의 구조적 변 화, neuromodulator, 전달물질과 그것의 수용체(receptor)에 관련되어 있는 것으로 보인다.

- 체성감각계

다음 그림은 올빼미 원숭이의 손(그림 B)에 대응한 체성감각계에서의 지도 를 그림 C에서 보여주고 있다. 그림 C에서 "dorsum"을 제외하고는 모두 손 바 닥 쪽의 감각을 받고 있다. 올빼미 원숭이의 median 신경을 절단했을 때 수 주 에서 수 개월이 지난 후의 신경계의 재조직화를 그림 E에서 보여주고 있다. 그 림 D에서는 median 신경이 담당하는 손의 부위를 보여주고 있다. 재 조직화 된 피질지도에서 새로이 형성된 인덱스 1,2,3은 신경절단 전과는 달리 모두 손 등 부분에서의 신호에 반응하고 있다. 그림 F의 경우는 중간 손가락을 절단 한 경우 수 개월이 지난 후에 재 조직화된 피질지도를 보여준다. 2와 4 손가락의 바닥면의 감각에 반응하도록 변형되어 있다.

이와 유사한 결과가 미국너구리에 의해서도 손가락 절단 실험으로 발견된 다. 다음 그림의 A가 미국너구리의 피질 상의 체성감각계를 보여주고 있다. 손 가락 부분 만을 그림 B에 보이고 있다. 그림 C는 D3 손가락을 제거한 후에 재 조직화 된 피질지도를 보여주고 있다. 그림 D는 D5를 제거 한 후에 재 조직화 된 피질지도를 보여준다. 공통점은 인접한 손가락의 감각이 확대되는 경향을 보 인다는 것이다.

1차 체성감각피질만이 인체투사 표상을 지니고 있는 것만은 아니다. 일본 원숭이의 1차 체성감각피질에 손상을 준 겨우 2차 체성감각피질에서의 재 조직 화를 다룬 예를 다음 그림에 보이고 있다. 그림 A에서 3a. 3b, 1, 2 가 1차피 질이고 S2로 표시된 것이 2차피질이다. 그림 C는 정상적인 2차 피질의 지도를 보여준다. 1차 피질에서 손에 대응한 영역에 상처를 준 것을 그림 B 에 도시하 고 있다. 몇 주 후에 재 조직화된 2차 피질을 그림 D 에서 보여준다. 원래 손 의 영역이었던 것이 발로 전부 대체되어 있다.

- 시각계

1차 시각피질의 재 조직화를 고양이 망막에 상처를 준 경우에 대해서 이뤄 진 실험을 다음 그림에 나타내고 있다. 아래 왼쪽 그림이 상처를 낸 상황을 보 여준다. 오른 쪽 눈의 신경은 완전히 절단하고 시야에서 왼쪽 5도 지점에 해당 하는 망막 부위에 상처를 내었다. 측정은 영역 17에서 이뤄졌으며 상처가 난 경 우에 수용야의 변화는 그림에서 열 B 와 같다. 상처난 부위 주위로 몰려있음을 알 수 있다.

- 청각계

일본 원숭이를 이용하여 청각계의 재 조직화를 실험한 경우를 다음 그림 에 소개한다. 원숭이의 뇌에서 1차 청각계를 그림 A 에 보인다. 1차 청각계는 소리의 주파수 별로 반응하는 영역이 다르며 정상적인 피질 지도를 그림 B에 보이고 있다. 'L'은 저주파, 'H'는 고주파를 의미한다(그림에서 주파수 단위는 kHz임). 원숭 이에게 고주파를 듣지 못하도록 하는 약물을 이용하여 10KHz이상은 못 듣게 하 여 수 개월이 지난 후의 1차 청각계의 지도의 변화를 그림 C에서 보이고 있다. 전반적으로 낮은 주파수에서 중간 주파수까지의 대응이 전체적으로 확장되어 나 타난다.

- 운동계

최근의 연구에서는 운동피질 역시 운동 신경의 절단 후에 재 조직화를 나 타내는 것으로 보인다. 다음 그림은 쥐의 수염을 움직이는 근육의 신경섬유를 절단한 경우의 운동피질의 변화를 보여주는 실험이다. 그림 A에서 M1이 1차 운 동피질이며 그림 B의 좌측이 정상적인 피질지도 이다. vibrissa가 수염을 담당 하는 피질이다. 수염근육의 신경을 절단 한 후 수 주가 지난 후의 운동피질의 재조직화를 오른쪽 그림에서 보여주고 있다. 주변에 있던 눈과 앞발에 해당하 는 영역이 수염 부분으로 확대되어 있음을 알 수 있다.

Where reorganization occur

피질 상의 변화만이 아니라 피질이하(subcortical)조직에서도 재 조직화 가 나타난다. 감각계인 경우 시상의 ventroposterior nucleus(VP)에서 가소성을 확인하는 실험이 간단하게 보고되었다. 시각계인 경우에도 망막의 상처를 준 경우에 외측 슬상체(LGN)에서 정도는 약하지만 시각피질과 유사한 재 조직화가 발견된다. 청 각계인 경우는 보고된 실험이 미비하여 거의 알려진 바가 없다.

Major reorganization of cortical sensory as a result of minor subcortical reorganizations

피질 영역의 재 조직화는 피질이하 조직의 재 조직화의 결과로써 발생 할 수 있다. 다음 그림은 원숭이의 median 신경을 절단한 경우 손등의 신경이 손바 닥 쪽의 신경으로 대체 되는 것이 뇌간(brainstem)의 cuneate nucleus 에서 의 새로운 신경결합에 의 할 수 있다는 가정을 보여준다.

위와 같은 가설은 아직은 증명되지 않고 있다. 여러가지 가능성이 있을 수 있으며 시상에서의 재 조직화에 의하여 피질의 재 조직화가 나타날 수도 있 다. 다음 그림이 이를 보여주고 있다. 그림에서 "4"에 해당하는 피질표상이 "3"이라는 입력신호에 의해 대치될 수 있 는 가능성을 보여준다. 즉, 시상 수준에서 3으로 들어오던 입력신호가 4의 영역 으로 확장될 가능성이 아래 그림에 설명되어 있고, 피질수준에서 3의 입력을 받 던 뉴런이 4의 영역으로 가지치기 할 수도 있음을 보여주는 것이 중간 그림이 다.

The extent of reorganization of primary somatosensory areas

원숭이의 앞발에서 나온 감각신호가 척수로 들어가는 부분을 절단하여 앞 발과 관련된 모든 신호 입력을 차단한지 12년이 지난 후 이 원숭이의 감각피질 을 조사한 결과 앞발에 해당하는 모든 영역이 얼굴의 촉각자극에 반응하였다.

How reorganizations are mediated

감각계 표상의 빠른 변화는 다음과 같은 세가지 기작에 의하는 것으로 보인다. 1) 감각계 다이나믹스의 즉각적인 조절 2) 시냅스의 효율을 변화시키는 neuromodulator의 방출 3) NMDA와 같은 리셉터와 헤비안 규칙등에 의한 시냅스 증강

Perceptual and behavioral consequences of reorganization

특정 회로의 뉴런의 숫자가 많아 졌다는 것은 그 회로의 정보처리를 하는 능력을 향상시킨 것으로 여겨진다. 피질에 상처를 낸 경우에 따르는 재 조직화 는 회복능력으로 보인다. 그러나 한편으로는 특정회로에 많은 뉴런을 배당한다 는 것이 항상 기능을 향상시키는 것은 아니다. 그 예로 원숭이의 손을 이용한 실험에서 손바닥 신경을 절단하여 피질 영역이 손등영역으로 대치 되었다고 하 더라도 손등의 촉각 감지 능력이 향상되지는 않는다. 손등의 감각수용기에 대해 서 이미 최대로 반응하게 되어 있었끼 때문이다. 오히려 특정회로에 다른 뉴런 이 개입하여 기능을 저하시키는 경우도 있다. 팔이 잘린 환자의 경우에 얼굴에 촉각자극을 주면 얼굴과 동시에 없는 팔의 촉각을 느끼는 경우도 보고되고 있 다.

Conclusions

지난 15년간 피질의 감각, 운동표상의 가소성에 대한 많은 연구가 이뤄졌으 며 주요결과 들을 다음과 같이 정리할 수 있다.

1) 피질에서의 감각계 표상은 매우 동적이며, 수용야의 크기, 그 위치 등은 외 적인 자극에 의해 변화된다. 이와 같은 대부분의 변화는 가역적이다. 그러나 감 각 변화가 오랜 시간 지속되면 뉴런의 변화 역시 영구적인 변화가 가능하다.

2) 감각지도의 재조직화는 감각패턴의 변화에 의해 발생한다. 신경절단, 지속되 는 감각기 자극, 수용체 표면의 손상, 감각피질의 전기작극등에 의해 재조직화 가 생긴다.

3) 재조직화의 연구는 포유동물의 여러 종에 대해서 체성감각, 청각, 시각 그리 고 운동계에 대하여 피질, 피질이하 수준에서 설명되고 있다. 따라서 재조직화 현상은 신경계ㅇ 본질적으로 내재하는 것으로 보인다. 그러나 극적인 변화는 피 질에서 발견된다. 신경계 초기단계에서의 변화는 극히 제한적이다.

4) 수 분에서 수 시간 만에 나타나는 감각표상의 변화는 시냅스의 빠른 증강을 암시한다. 이와 같이 빠른 변화는 자극 이전의 상태의 환경을 제시하면 원래의 감각표상으로 복구된다.

5) 피질지도의 변화가 수 일에서 수 주에 걸쳐서 나타는 경우가 있다. 이와 같 은 느린 변화는 시냅스와 막의 수용체(receptor)의 교체(turnover)와 선택, 축색과 수상돌기의 성장 그리고 neurotransmitter와 neuromodulator양의 변 화 등에 기인하는 것으로 보인다.

6) 지질지도의 가역성이 의미하는 것은 발육단계에 조직화된 표상이 상대적으 로 안정하다는 것이다.

7) 감각계의 각 계층별 표상은 서로 차이가 나며, 어떤 한 표상지도에서의 부분 적인 변화는 다음단계의 표상지도에 있어서는 넓은 범위의 변화를 줄 가능성이 있다.

8) 표상지도의 재 조직화가 행동적인 측면에서 어떤 결과를 주는지에 대해서는 결과가 거의 없다. 감각지도의 변화에 의해서 잃어버린 감각기의 기능을 보완 복구하는 것으로 추정되기는 하지만 그 반대로 재 조직화는 착인 (misperception) 과 인지오류를 야기할 수도 있다.