글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀, 뇌영상을 통한 만성 통증 검사 가능성 제시
- 뇌기능 커넥톰 기반 통증 바이오마커 개발
- 기계학습을 이용해 통증을 경험할 때 변화하는 뇌기능 커넥톰의 패턴 모델링

[그림1] 왼쪽부터, 이수안(공저자, 박사과정), 이재중(제1저자, 박사과정), 우충완(교신저자), 김홍지(공저자, 박사과정).

내 몸이 아픈 걸 다른 사람이 알기는 어렵다. 정의상 통증 경험은 주관적이기 때문이다. 효과적인 진단과 치료를 위해서는 통증을 정확하고 객관적으로 측정하고 평가할 수 있어야 하지만, 2021년 현재까지도 통증에 대한 평가는 환자에게 직접 얼마나 아픈지 물어보는 것에 전적으로 의존하고 있다.  
 
통증은 외부 유해 자극에 대한 몸의 반응에서 기인하지만, 최종적으로 경험하는 통증은 감정, 생각, 신념, 기억 등과 같은 요소들의 영향을 받으며, 뇌기능 커넥톰*을 이루는 뇌의 여러 영역들 간의 복잡한 기능적 상호작용을 통해 일어난다. 또한 삶을 파괴하고 막대한 사회경제적 비용을 초래하는 만성 통증은 뇌기능 커넥톰 수준에서 유의미한 변화가 일어난다고 알려져 있으나, 뇌기능 커넥톰에 기반한 통증 측정 도구는 여전히 존재하지 않았다.  
  * 뇌기능 커넥톰 : 뇌의 여러 영역들 간 시스템 수준의 기능적 상호작용을 나타낸 뇌지도
 
이에 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀은 미국 다트머스대학교 토어 웨이거 교수 연구팀과 함께 뇌기능 커넥톰을 기반으로 지속되는 통증을 읽어낼 수 있는 뇌영상 바이오마커를 개발했다. 연구팀은 통증을 오랜 시간 안전하게 유발할 수 있는 실험 방법을 고민하다가, 캡사이신을 혀에 발라 약 10분 동안 통증을 효과적으로 유발하는 방법을 고안했으며, 피험자가 입안에서 통증을 느낄 때 기능자기공명영상(fMRI)을 이용하여 뇌기능 커넥톰의 변화 패턴을 기록했다. 이렇게 만들어진 통증 마커는 109명의 건강한 실험 참가자들의 지속적 통증 강도를 성공적으로 예측했을 뿐만 아니라, 192명의 허리통증 환자들의 통증 점수 또한 높은 정확도로 예측했다.
 

[그림2]지속적 통증의 강도를 예측하는 뇌기능 커넥톰 마커. 각 선은 뇌기능 커넥톰 마커에서 다른 뇌 영역 간 상호작용의 세기를 나타냄.

우충완 교수는 "본 연구를 통해 실험실에서 캡사이신으로 유발한 지속적인 통증에 대한 뇌의 반응 양상이 만성 통증 환자들에게 나타나는 뇌의 반응 양상과 유사하다는 사실을 발견했다”며 "만성 통증이 일어나는 뇌 기제를 이해하고, 궁극적으로는 통증 환자들을 도울 수 있을 것”이라고 말했다.

제1저자인 이재중 박사과정생은 "본 연구는 이미 통증에 연관되어 있다고 알려진 일부 뇌 영역들뿐만 아니라, 전체 뇌의 역동적인 상호작용이 지속적 통증을 이해하는 데 매우 중요함을 시사한다”며 "통증이 뇌기능 커넥톰을 통해서 매개되는 다차원적인 경험임을 보여주는 새로운 증거”라고 말했다. 

본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단에서 지원하는 신진연구(2019R1C1C1004512), 과학기술정보통신부에서 지원하는 혁신성장동력프로젝트(2019-0-01367-BabyMind), 한국뇌연구원에서 지원하는 3개 국가뇌연구기관 뇌연구협의체과제(18-BR-03)의 연구결과물이며, 세계적인 학술지인 네이처 메디슨(Nature Medicine, IF 36.130)에 1월 5일(화) 게재됐다.
 
 ※ 논문에 대한 자세한 내용은 저자의 유튜브 영상 초록을 참고하면 된다.
https://youtu.be/U_Y7vwGw5So

[그림3] 지속적 통증의 강도를 예측하는 뇌기능 커넥톰 마커에서 가장 중요한 기능적 연결들.