식물인간과의 대화 (세부 버전) 메모뭉치

의식불명 환자와의 의사소통에 성공? 에서 트랙백.
저번에 올렸던 포스팅의 한글판 (?) 입니다. 출처는 이곳


[식물인간(植物人間, persistent vegetative state, PVS)이 대화를 하다. 영국/벨기에 연구팀 7년된 식물인간의 의식/마음의 뇌신경 신호를 fMRI로 읽다. ‘안락사’에 대한 생명 윤리(ethical issues) 논란이 새로운 국면을 맞고 있어, New England Journal of Medicine지 2010년 2월 3일자 온라인판에 "Willful Modulation of Brain Activity in Disorders of Consciousness(의식을 잃은 환자의 두뇌 활동의 의지적인 조절)"라는 논문을 발표, 식물인간이 된 환자 중 일부는 의식이 있어(Vegetative state patients can respond to questions(12/Mar/2010)]

과학자들이 7년 된 식물인간과 fMRI로 정신적/마음적으로 대화를 했다는 연구결과 보고이다. 이는 안락사의 새로운 기준이 필요함을 의미한다. 혼수상태가 아닌 식물인간의 환자들은 깨어 있는 상태이지만(Patients in a vegetative state are awake, not in a coma) 심각한 두뇌 손상 때문에 '의식이 없다'는게 기존 학설이었다. 연구팀은 그러나 식물인간이 된 환자가 의식이 있음을 이번 연구에서 밝혀냈다. "죽고 싶으냐?"라고 물으면 "네, 어서 죽여 주세요!!"라고 답변할 사람이 누가 있겠는가? 이는 그러나 의식을 확인하기 전에 의식을 되찾는 치료 방법이 더 중요함을 시사하는 것이다. 그럼에도 불구하고 식물인간의 상태를 정의할 새로운 지평선을 열었다는 평가이다.


[목차]

1. 인간의 뇌의 구조와 기능(I)

2. MRI와 fMRI

3. 발견의 개요

4. 어떻게 발견했나 - 스캐닝 기술(Scanning technique)

5. 미래의 치료 방법

6. 안락사 문제

7. 그림으로 보는 연구결과


1. 인간의 뇌의 구조와 기능(I)

뇌량(Corpus Callosum)은 좌우뇌를 연결하고, 대뇌피질(Cerebral cortex)을 이루는 표면에는 많은 홈이 있는데 그 홈을 따라 전두엽(앞머리엽, Frontal Lobe), 두정엽(머리꼭대기엽, Parietal Lobe), 후두엽(뒷머리엽, Posterior Lobe), 측두엽(옆머리엽, Temporal Lobe) 및 소뇌(Cerebellum)로 나뉘고, 이 중 전두엽은 대뇌피질의 40%를 차지하는 중요한 구조이다. 전두엽의 기능은 원숭이나 침팬지와 차별화되는 사람다움을 발휘하는 사고, 학습, 추리, 의사결정 능력 및 언어를 지배하고, 두정엽의 기능은 감각 정보를 종합하고 분석하며, 측두엽은 기억과 청각을 지배한다. 후두엽은 시각을 지배하고 소뇌는 몸의 균형과 운동을 관장한다. 이를 다시 연합령으로 나누어 볼 수 있다. 연합령이란 각 기능을 발휘하기 위해 정보를 통합하는 느슨한 연합체이다. 이 연합체가 바로 유인원이나 원숭이와 인간을 차별화하는 것이다. 전두엽에 있는 전두연합령, 몸과 근육의 움직임을 지배하는 운동연합령, 두정엽의 두정연합령, 측두엽의 측두연합령, 그리고 후두엽의 후두연합령의 다섯 가지가 있다.

이를 다시 중추기관으로 나누어 볼 수 있는데, 이 때 중추기관이란 뉴런(신경세포)들의 만남의 장소이다. 신경망들이 모이는 곳을 말한다. 모든 정보 이미지의 전달-명령은 이들 신경망을 통하여 이 중추기관으로 보내지고 여기서 해석하고 이해하는 것이다. 운동연합령의 운동중추, 두정연합령의 감각중추(시각 및 청각을 제외한 모든 감각), 후두연합령의 시각청추, 측두연합령의 청각중추, 그리고 전두연합령의 언어중추가 그 것들인데, 이 중 바로 언어중추가 인간을 차별화하는 언어를 다스리는 곳이다(02513-02).

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2. MRI와 fMRI

자기공명영상(MRI, Magnetic Resonance Imaging)이란 인체의 수소(hydrogen) 원자핵(nuclei)이 아주 작은 자석(act like tiny magnets)처럼 고유하게 방출하는 자성의 고주파를 이용하는 것이다. 따라서 외부에서 자기장(external magnetic field)을 걸어주면 같은 자기장 주파수에 공명해 수소 핵이 자기장 방향과 같은 방향으로 회전하면서(nuclei rotate around the direction of the field), 아주 작은 자성 변화를 만들어낸다. 그러면 하나의 전기 코일(electrical coil)이 이 자성의 변화를 감지해 컴퓨터를 통해 다시 전기적 신호로 재구성하여 수소 핵의 공간 분포도를 맵으로 작성하고(spatial distribution of hydrogen nuclei), 그 다음 최종적으로 스캔된 조직의 이미지를 만들어 내는 기술이다. 한 마디로 생체의 장기나 조직 등을 자기공명을 이용해 단층 화상으로 표시하여 질환을 진단하는 화상 검사법이다. MRI는 X-선(X-ray)처럼 이온화 방사선이 아니므로 인체에 무해하고, 3차원(3-D) 영상화가 가능하며 컴퓨터지원단층사진촬영(CT, Computer assisted tomography)에 비해 대조도와 해상도가 뛰어나다. 그리고 횡단면 촬영만이 가능한 CT와는 달리 관상면과 시상면도 촬영할 수 있고, 필요한 각도의 영상을 검사자가 선택하여 촬영할 수 있다.

이러한 장점으로 인해 널리 쓰이고 있지만, 검사료가 비싸며 촬영시간이 오래 걸린다. 또한 검사공간이 협소하여 혼자 들어가야 하므로 중환자나 폐소공포증이 심한 환자는 찍을 수 없는 단점이 있다. 또한 기존의 MRI로 뇌종양을 찍을 경우 그 크기는 1cm이며 아무리 작은 생체들을 찍는다 해도 그 크기는 1밀리미터에서 0.1밀리미터(100마이크로)에 불과해 그 이하의 단백질과 1,000나노의 박테리아나 병원균을 볼 수 없고 100나노의 바이러스나 암세포를 직접 찍어 볼 수가 없다는 단점이 있다. 그 이유는 바로 감지 전기 코일(Detection electrical coil)로 이를 더욱 작게 만들 수 없기 때문으로, 코일을 더욱 작게 만들면 민감도가 점점 낮아지기 때문이다. 그러므로 기존의 MRI에서 볼 수 없는 더욱 작은 분자들과 더욱 높은 고해상도의 영상을 만들어 낼 수 없다.

기능성 자기공명영상(fMRI, Functional MRI)은 물리적 감각이나 활동의 유형에 따라 각각 다르게 활성화되는 뇌의 부위를 알아내는 영상 기술로, MRI 스캐너보다 기술적으로 진보된 장비로, 활성화된 뇌의 영역에서 나타나는 혈류의 증가를 보여준다. 그리고 2008년 7월에 미국의 인디아나대학팀이 개발한 분산(산란)스펙트럼영상MRI(diffusion spectrum imaging on MRI, DSI on MRI)는 두뇌의 물 분자들(water molecules)의 이동까지 보여준다(02513-BIO).

3. 발견의 개요

과학자들이 뇌의 손상을 입은 사람의 마음에 다가가 그 사람의 생각과 의사소통하는(Scientists have been able to reach into the mind of a brain-damaged man and communicate with his thoughts) 연구 결과가 발표되어 식물인간(植物人間, persistent vegetative state, PVS)의 안락사에 대한 생명윤리 논란이 새로운 국면을 맞이하고 있다. 영국과 벨기에의 연구팀은 새로운 뇌 스캐닝 방법으로 뇌파와 혈류의 움직임을 탐지하는 기능성자기공명이미지(fMRI) 기기를 동원했다. 그 전에 발표된 연구에서 식물인간 상태에 있는 3명의 뇌를 읽은 적이 있으나, 이번 연구결과는 더 나아가 현실세계로부터 격리된 환자들의 생각(patients thought), 즉 의식의 신호(signs of awareness)를 스캐닝한 것이다. 이번 연구는 New England Journal of Medicine지 2010년 2월 3일자 온라인판에 "Willful Modulation of Brain Activity in Disorders of Consciousness(의식을 잃은 환자의 두뇌 활동의 의지적인 조절)"(Monti et al., NEJM, 2010) 1)이라는 논문으로 발표되었다.

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혼수상태가 아닌 식물인간의 환자들은 깨어 있는 상태이지만(Patients in a vegetative state are awake, not in a coma) 심각한 두뇌 손상 때문에 의식이 없다는게 기존학설이었다. 연구팀은 그러나 ‘식물인간이 된 환자 중 일부는 의식이 있을지 모른다’는 가정을 세우고 ‘대화’를 시도했다.

4. 어떻게 발견했나 - 스캐닝 기술(Scanning technique)

벨기에 사는 토머스 부부는 교통사고로 식물인간이 된 아들(29)을 7년째 간병하고 있다. 어느 날 이 부부에게 애드리안 오언(Owen) 박사를 비롯한 영국 의학연구위원회(Medical Research Council) 연구팀이 찾아왔다. 연구팀은 토머스 부부에게 “아드님과 대화를 좀 나누고 싶다”고 했다. 단 한마디도 못하고 희미한 동작조차 보이지 않은 채 무의식 상태로 5년간 누워 있던 식물인간(植物人間, persistent vegetative state, PVS)에게 말을 건넨 것이었다. 연구팀이 그의 ‘의식’을 확인하기 위해, 운동 영역을 관장하는 뇌의 부분과 공간 감각을 관장하는 뇌의 부분이 다른 점을 이용했다.

연구팀은 환자의 지원자와 건강한 사람의 지원자를 대상으로 스캐닝하는 동안 테니스를 치는 이미지를 떠올리도록 했다(They asked patients and healthy volunteers to imagine playing tennis while they were being scanned). 묻는 말에 대한 답이 ‘예스’면 ‘테니스 코트에서 공을 상대방에게 던지는 운동 이미지를 상상하도록 했고, ’노‘면 이 방에서 저 방으로 옮겨가는 공간 이미지를 상상하도록 했다(The team told him to use "motor" imagery like a tennis match to indicate "yes" and "spatial" imagery like thinking about roaming the streets for a "no"). 식물인간 환자가 만약 의식이 있다면, ’예스‘냐 ’노‘에 따라 뇌신경이 활동하게 되며 이때의 뇌파와 혈류의 움직임을 탐지하기 위해 기능적 자기공명이미지 스캔(fMRI, functional magnetic resonance imaging)을 동원했다. 

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건강한 지원자들의 전두-운동피질(pre-motor cortex)이 이 자극에 정상적인 반응을 하였고, 환자들도 역시 반응하였다. 심각한 두뇌 손상(severe brain injury)을 입은 총 54명의 샘플 중에 23명은 식물인간 상태이고 31명은 최소한의 의식 상태에 있는 환자들이었다(A convenience sample of 54 patients with severe brain injury, including 23 in a vegetative state and 31 in a minimally conscious state). 그 결과 23명의 식물인간 상태에 있는 환자들 중 4명에게서 똑 같은 반응이 일어났다(This also happened in four out of 23 of the patients presumed to be in a vegetative state).

5. 미래의 치료 방법

결과는 놀라웠다. “아버지의 이름이 알렉산더가 맞느냐”는 질문에, 식물인간의 뇌에서 ’테니스 코트에서의 움직임‘을 관장하는 뇌의 피질이 활성화됐다. “아버지의 이름이 토머스냐”는 질문에는 식물인간의 뇌에선 공간 담당 뇌 부위가 활성화했다. 모두 6개의 자서전 질문에 식물인간은 5개를 정확하게 답했다(The patient responded accurately to five out of six autobiographical questions posed by the scientists). 이 실험결과 환자는 아버지가 알렉산더라는 것을 확인한 셈이다. 실제로 연구팀은 다른 식물인간을 상대로 한 실험에서도 “대개 교통사고 등 외상으로 뇌가 손상된 환자들이 질문에 반응했고, 심장마비 등 산소결핍으로 손상된 환자의 뇌는 반응하지 않았다”고 전했다.

하지만 논문의 공동 저자인 마틴 몬티는 “의식이 있더라도 ‘생명을 연장하고 싶으냐’와 같은 복잡한 문제에 대해 식물인간이 판단을 내릴 수 있는지는 확실치 않다”며 확대해석을 경계했다.

이번 연구에는 영국의 Medical Research Council (MRC), 캠브리지 소재 Wolfson Brain Imaging Centre와 벨기에 University of Liege 팀이 참가했다. MRC의 공동저자인 Adrian Owe 박사는 "우리는 환자들의 두뇌를 스캐닝한 결과에 상당히 놀랐습니다. 환자들이 조그만 질문의 변화에 정확하게 대답할 수 있는 능력을 보여준 것입니다"라고 말한다. 이는 미래의 치료 결정(future treatment decisions)에 새로운 방법을 찾아야 한다는 것을 의미한다. "환자에게 고통이 있는가를 물어보고 그에 대한 진통제(painkillers)를 처방할 수 있습니다. 또한 환자들의 감정 상태를 물어 볼 수도 있을 것입니다" 라고 말한다. 

6. 안락사 문제

이 같은 연구 결과가 나오면서, ‘안락사’에 대한 생명 윤리(ethical issues) 논란이 새로운 국면을 맞고 있다. fMRI로 환자의 의사를 확인할 수 있다면, 연명(延命)치료에 대한 식물인간 자신의 의사를 물을 수 있기 때문이다. 뇌손상연합의 수전 코노스 대표는 “fMRI 검사는 뇌손상을 입은 가족의 연명치료 여부를 결정하는 데 도움이 될 것”입니다라고 말한다. 그러나 저의식 상태를 연구하는 Helen Gill 컨설턴트는 "아직은 이른 단계입니다. 좀더 많은 연구가 필요합니다. 좀더 제세한 운동감각과 공간감각의 진단이 필요합니다. 많은 환자들이 의식의 상태를 진단 받을 때 수 많은 네트워크 중 상당수가 미싱됩니다. 이번 연구결과는 그러한 진단을 정확히 하기 위한 하나의 층이 생긴것에 불과합니다"라고 말한다.

7. 그림으로 보는 연구결과

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[그림] 정신-이미지 실험(Mental-Imagery Tasks). fMRI 스캐닝은 운동감각 활동의 이미지를 공간감각 활동의 이미지와 비교해 보여준다(노란색과 빨강색). 반대로 공간감각 활동의 이미지를 운동감각 활동의 이미지와 비교해 보여준다(푸른색과 그린색). 이 영상은 건강한 대조 그룹과 5명의 두뇌외상(TBI, traumatic brain injury) 환자들로부터 얻은 것이다. 사진 : (Monti et al., NEJM, 2010)

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[그림] 의사소통 스캐닝(Communication Scans) 이미지. 환자 23과 건강한 사람의 대조그룹. 사진 : (Monti et al., NEJM, 2010)

[참고]

[인간 대뇌 피질(Cerebral Cortex)의 구조와 신경 섬유가 연결하는 네트워크 허브가 분산(산란)스펙트럼영상MRI(diffusion spectrum imaging on MRI, DSI on MRI)I라는 두뇌의 물 분자들의 움직임을 추적하는 새로운 영상기술에 의해 세계 최초로 고해상 영상으로 잡히다. 허브인 코어(core)는 바로 우리 두뇌의 뒷 부분인 후두엽 중앙(posterior medial)과 두정엽(parietal cerebral cortex), PLoS Biology 2008년 7월 1일자에 "Mapping the Structural Core of Human Cerebral Cortex(인간 대뇌 피질의 구조적 코어(핵심) 매핑하기)"라는 논문으로 발표, 알츠하이머, 정신분열증, 자폐증의 기원 밝힐 초석 발견(First Detailed Map of the Human Cortex. A new imaging technique reveals previously hidden brain structures, including the central hub(20/Jul/2008), 02513-BIO]
http://www.studybusiness.com/dir/dir/Download/Bio/1510.html

[기능성 자기공명영상(fMRI, Functional MRI) 기기와 신경과학(Neuroscience)의 융합, MIT 공대 과학자들이 어떤 세포가 혈류의 증가를 조정하는지 밝혀내, Science 지 2008년 6월 20일자에 "Tuned Responses of Astrocytes and Their Influence on Hemodynamic Signals in the Visual Cortex(시각 피질에서의 별 세포들의 조절 반응 및 그 조절 반응이 다이내믹한 혈류 신호에 미치는 영향)"라는 논문으로 발표, 신경교(glia, neuroglia)의 한 종류인 성상세포(astrocytes)가 중요한 인자(Solving the Mystery of fMRI. Researchers determine which cells mediate the blood flow tracked in fMRI(08/Jul/2008), 02498-BIO]
http://www.studybusiness.com/dir/dir/Download/Bio/1496.html

[생각만으로 기계 조정하는 기술이 나왔다. 인간의 뇌신호로 로봇을 제어할 수 있는 시대가 열렸다. 일본 혼다(Honda)와 국제전기통신기초기술연구소(ATR) 공동연구팀은 뇌 혈액의 흐름에 따른 정보를 분석해 실시간으로 인간이 원하는 움직임을 그대로 표현하는 로봇제어시스템(BMI: Brain Machine Interface)을 개발했다고 2006년 5월  25일 발표했다. 비이식 기술에 의한 증강-가상현실 구축 앞당겨(ATR and Honda Successfully Develop New Brain-Machine Interface Creating Technology for Manipulating Robots Using Human Brain Activity(07/Jun/2006), 02173-TRM]
http://www.studybusiness.com/dir/dir/Download/TRM/1044.html

[소스]

[동영상 보기_YooTube-[02670-11-2010-BIO-01-K.FLV/6MB]_Scientists 'Talk' to Patient in Vegetative State(03/Feb/2010)]
http://www.youtube.com/watch?v=U9zUfibr2h8

[BBC-Vegetative state patients can respond to questions(03/Feb/2010)]
http://news.bbc.co.uk/2/hi/health/8497148.stm

[Telegraph-Patients in 'vegetative' state can think and communicate(03/Feb/2010)]
http://www.telegraph.co.uk/health/healthnews/7150119/Patients-in-vegetative-state-can-think-and-communicate.html


1) Monti, Martin M.,Ph.D., Audrey Vanhaudenhuyse, M.Sc., Martin R. Coleman, Ph.D., Melanie Boly, M.D., John D. Pickard, F.R.C.S., F.Med.Sci., Luaba Tshibanda, M.D., Adrian M. Owen, Ph.D., and Steven Laureys, M.D., Ph.D., "Willful Modulation of Brain Activity in Disorders of Consciousness(의식을 잃은 환자의 두뇌 활동의 의지적인 조절)", New England Journal of Medicine, Published online February 3, 2010 (10.1056/NEJMoa0905370).
http://content.nejm.org/cgi/content/full/NEJMoa0905370


004.jpg편집/저자 : 한국의 미래학자(Futurologist) 차원용 소장, 공학(박사)-경영학(석사)-영어교육학/영어영문학(학사), 이맬 : wycha@StudyBusiness.com, 02-387-9141, 011-273-5763, 아스팩미래기술경영연구소㈜ 대표소장, www.StudyBusiness.com의 편집장, 숙명여자대학 정책산업대학원 겸임교수, 고려대학교 안암캠퍼스 교양학부 겸임교수, 지식경제부 로봇팀/로봇윤리헌장작성 자문위원 및 작성자로 활동 중이다. 저서로는 <디지털 비즈니스 게임(청아, 2001)>, <솔루션 비즈니스 마케팅(굿모닝미디어, 2002)>, <미래 기술경영 대예측 : 매트릭스 비즈니스, 부록 : 서기 3000년까지의 미래 기술경영 대예측 : 매트릭스 비즈니스 로드 맵(굿모닝미디어, 2006)>, <다른 것이 아름답다(지식산업사, 2008)>, <반도체로 움직이는 세상(한국반도체산업협회/연구조합), 2008>, <한국을 먹여 살릴 녹색융합 비즈니스, 부록 : 2030년까지의 녹색융합 기술 & 비즈니스 로드맵(아스팩, 2009) 등이 있고, <(가칭) 성경에 숨겨진 미래의 과학 미래의 비즈니스, 2012년 2월 출간 예정)>, <(가칭) 불경에 숨겨진 미래의 과학 미래의 비즈니스, 2015년 2월 출간 예정> 등이 있으며, 기술경영관련 사례연구 50여 편을 저술하였고, 기술경영관련 2,000 편의 글을 쓰고 기고했다. 주요 연구분야로 (1) 미래기술-미래비즈니스-미래사회, (2) NBIT & NBIC융합 & 창조기술, (3) 환경/녹색/에너지 혁명, (4) 과학문화기술 혁명, (5) 하이텍 마케팅(HTALC) 및 기술경영(MOT), (6) 디지털 & 솔루션 비즈니스 전략 & 마케팅, (7) 신상품개발 및 신사업전략, (8) 고객중심경영, (9) 감성-경험마케팅, (10) 지식 + 분자 경제(Molecular Economy) 비즈니스 모델, (11) 유비쿼터스(Ubiquitous) 혁명, 그리고 (12) 창조와 과학 등이다.




이렇게 보니 조금 이해가 갈락 말락...



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덧글

  • Merkyzedek 2010/03/10 16:05 #

    좋은 자료 감사합니다. 잘 읽었습니다.
  • 네비아찌 2010/03/10 16:33 #

    fMRI는 정신과의 장래 최강의 무기 중 하나가 될거라죠.
    저 저널 찾아서 자세히 읽어봐야겠네요. 감사.
  • 朴下史湯 2010/03/10 18:28 # 삭제

    세줄요약 읎나요
  • 히무라 2010/03/10 20:36 #

    식물과 인간의 대화하니...
    갑자기 요시나가댁 가고일의 이하토부식 교신장치가 생각나네요.
    그나저나 그걸로 식물을 기르면 어떻게 수확할 생각이었을까나...(녹차)
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