황교수님이 논문 리스트를 잔뜩 던져주셔서 한 편 한 편 읽고 리뷰를 정리하려 한다. 참고로 이 논문은 뉴로저널클럽에서 2022년 4월 20일에 발표하기도 한 논문이다.
Demertzi, A. et al. Human consciousness is supported by dynamic complex patterns of brain signal coordination. Sci Adv 5, eaat7603 (2019).
인간의 뇌에서는 신경신호가 끊임없이 재조합되고 결합되고 다시 재구성된다. 심지어 가만히 있는 뇌에서도 이러한 뇌의 동역학은 나타난다. rs-fMRI는 뇌의 기본적인 활성을 보기 위한 기법이다. 그 결과, 의식상태에서는 뇌가 멀리 떨어진 영역 간에도 복잡한 시간적 구성을 나타낸다는 것이 확인되었다. 또 다른 특징 하나는 여러 뇌 상태 간의 anticorrelation이다.
잠이나 마취나 뇌손상으로 인한 의식상태 변화가 일어날 경우 뇌의 상태는 특정한 패턴으로 고정된다. 이 패턴은 해부학적 연결성에만 기반해서 일어난다. 즉 자유로운 뇌 패턴 형성이 불가능해진다.
이 논문에서는 뇌손상으로 인한 병적 상황에서 뇌의 연결성 dynamics가 어떻게 변화하는지 총 159명의 환자를 대상으로 분석하였다. 42개의 ROI를 정하고 각 ROI에서의 BOLD signal 간의 pairwise phase difference를 계산했다. 그리고 그 coherence pattern을 k-means clustering을 통해서 4가지 패턴으로 분류했다. 여기서 k-means clustering을 어떻게 사용할 수 있는지는 잘 모르겠다. 황교수님한테 여쭤봐야 될듯..
이렇게 네 가지의 뇌 패턴이 나온다고 한다. 1번 패턴은 long range coordination이 일어나는 모습이다. 그런데 DMN과 FP 사이의 anticorrelation이 일어나지 않는건 신기하고. visual과 auditory는 DMN 및 FP와 anticorrelation이 나타나는 모습이다. 그게 어떤 의미인지는 잘 모르겠지만. 정보이론적인 여러 수치 역시 패턴 1에서 높았다. 정상인의 뇌에서 패턴 1의 확률이 약 50%였다.
반면 패턴 4는 영역간의 coordination이 거의 일어나지 않는 모습이다. 그리고 anatomical connectivity와의 관련성도 높다. 그러니까 그냥 뇌가 연결된 대로 활성화되는 상태라는 뜻. 무의식 상태가 심할수록 패턴 4의 등장 확률도 높았다. UWS 환자는 약 70%에서 패턴 4. 하지만 정상인에서도 패턴 4가 나타난다는 것에 대해서 저자들이 꽤나 분석을 많이 했는데, 노력을 기울인 정보처리가 일어나지 않는 기간이 존재하는 것 같다고 분석했다. 근데 그냥 뇌 영역들이 따로 노는 상태 아닌가? 이것이 정말 mind blank 상태라고 할 수 있을까?
패턴 2, 3은 의식상태 관련없이 나타나는 확률이 비슷하다. 그냥 transitional 한 role을 수행한다고만 나와있고 별다른 얘기가 나와있지 않은데, 패턴 2는 visual이 따로 노는 모습, 패턴 3은 모든 뇌 부위가 함께 동기화된 모습. 어쩌면 패턴 3을 거친 후에 1이나 4로 가는 게 아닐까? 아니면 thalamic input때문에 동기화된걸까?
정상인의 경우에는 패턴별 전환 확률이 각 가짓수에 대해 평탄했다. 즉, 다른 패턴으로 이행될 확률이 무의식 상태에 비해 고른 편이었다.
추가적으로 분석한 건 locked-in syndrome인 환자에게서 정상인에 가까운 패턴이 나타났다는 것. 따라서 이러한 방식으로 진단에 활용할수도 있을것 같다는 것, 그리고 마취를 할 경우 UWS든 MCS든 MCS에서 회복한 환자든 UWS와 비슷한 뇌 상태로 빠진다는 것.
나는 무의식 상태에서도 패턴 1이 나타난다는 게 신기하다. 그럼 무의식이 단순히 뇌가 완전히 꺼진 게 아니라 가끔씩은 long-range coordination된 상태가 나타나기도 한다는 거니까. UWS 상태와 마취 상태의 패턴양상이 비슷하다는 것도 신기한 부분.
이 연구의 한계점은 분명해 보인다. temporal resolution이 2.5초 정도이니… transient한 변화를 보기 어렵다는 거… 앞으로 fMRI 논문 볼때마다 이게 답답할듯하다.
각 상태마다 어떤 의식경험에 대응되는 상태인지 참 궁금하다.
cohort는 참 좋은데 이 좋은 데이터로 이정도밖에 하지 못했을까? 조금 아쉽다는 생각도 든다. 어쨌거나 이런 식으로 분석할 수 있구나 알게 된 게 하나의 소득. public dataset에서도 재현되는지 확인해보고 싶다.