뇌외상이 디폴트 모드 네트워크 및 외상후스트레스장애 증상에 미치는 영향

Abstract

서론: 심리적 외상 노출과 뇌외상(traumatic brain injury)이 동반되는 경우는 빈번하며, 이렇게 심리적 외상 노출 혹은 만성적인 스트레스 노출에 동반된 뇌외상의 경우 심각하지 않은 경도 외상성 뇌손상(mild traumatic brain injury, mTBI)이라도 외상후스트레스장애(posttraumatic stress disorder, PTSD)의 발병 위험성을 증가시키는 것으로 알려져 있다. 이에 따라, 두 질환 간의 인과적 관련성에 대한 대뇌 메커니즘의 이해를 위해 외상후스트레스장애와 뇌외상 각각에 대한 기전을 밝히는 뇌영상 연구가 많이 진행되고 있으나 아직까지 네트워크 수준에서 두 질환에 대해 포괄적인 신경생리 및 병태생리를 밝히는 연구의 수는 적은 편이다. 최근, 경도 외상성 뇌손상을 포함한 뇌외상은 뇌 내 휴지기 기능적 네트워크의 연결성을 변화시킬 수 있고, 그 중 특히 디폴트 모드 네트워크(default mode network, DMN)의 손상에 관여한다고 보고되었다. 이러한 디폴트 모드 네트워크의 손상은 외상 이후의 여러 신경정신과적 질환 발병과 관련이 있다고 알려져 있어, 뇌외상과 외상후스트레스 장애의 상호 연관성을 설명할 수 있는 네트워크적 기전으로 디폴트 모드 네트워크의 중요성이 강조되고 있다. 따라서 본 연구에서는 뇌외상으로 인한 디폴트 모드 네트워크의 기능적 연결성 및 해당 영역의 대뇌 피질두께의 변화를 확인하고, 이러한 뇌 내 변화와 외상후스트레스장애 증상 간의 관련성을 규명하고자 한다. 방법: 본 연구는 심리적 외상 사건의 노출 경험이 있는 자를 대상으로 하였으며 이들 중 뇌외상(경도 외상성 뇌손상)을 동반하는 경우 뇌외상 동반 스트레스군(n = 50)으로 정하고, 뇌외상 동반 스트레스군과 인구학적 특성을 맞추고 심리적 외상 사건에 노출되었으나 뇌외상을 경험하지 않은 경우를 스트레스군(n = 50)으로 정하여 진행되었다. 대상자들의 외상후스트레스장애의 증상을 평가하기 위해 사건충격척도(Impact of Events Scale-Revised, IES-R)를 사용하였으며, 뇌외상의 정도는 ACRM (American Congress of Rehabilitation Medicine)에서 규정한 경도 외상성 뇌손상 정의에 따라 평가하였다. 뇌 자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI) 기법을 사용하여 휴지기 기능적 자기공명영상(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)과 고해상도 T1-강조영상(T1-weighted image)을 획득하였다. 휴지기 기능적 자기공명영상의 경우 집단 독립 성분 분석(group-independent component analysis, group-ICA)을 통해 휴지기 뇌 네트워크를 추출하고, 디폴트 모드 네트워크 내의 기능적 연결성을 분석하였다. 통계 분석을 통해 군 간 기능적 연결성의 차이를 확인하고, 군 별로 기능적 연결성 정도와 외상후스트레스장애의 증상 간의 상관관계를 분석하였다. 디폴트 모드 네트워크에 해당하는 뇌 영역 중, 군 간 유의한 기능적 연결성 차이를 보인 영역의 대뇌 피질 두께를 측정하여 군 간 차이를 보이는지 확인하고, 이러한 군 간 피질 두께의 차이가 외상후스트레스장애의 증상 정도와 상관 관계가 있는지 분석하였다 결과: 뇌외상 동반 스트레스군이 스트레스군에 비해 외상후스트레스장애 증상 중 수면장애 및 정서적 마비 증상 점수가 유의하게 높았고(t=-2.05, P=0.04), 과각성, 회피, 침습 증상 점수에서도 높은 경향성을 보였다. 기능적 자기공명영상 분석 결과, 뇌외상동반 스트레스군이 스트레스군에 비해 디폴트 모드 네트워크의 기능적 연결성이 저하되어 있었으며 특히 좌측 전두극(frontal pole) 영역과 내측 전전두엽(medial frontal cortex) 영역에서 유의하게 낮아져 있는 것을 확인하였다. 또한 뇌외상 동반 스트레스군에서 좌측 전두극 영역의 기능적 연결성이 저하되어 있을수록 외상후스트레스장애증상이 심해지는 음의 상관 관계를 나타냈다(R=-0.36, P=0.03). 군 간 유의한 기능적 연결성 차이를 보인 영역을 관심 영역(regions of interest, ROI)으로 설정하고 추가로 대뇌 피질 두께를 분석한 결과, 뇌외상 동반 스트레스군이 스트레스군에 비해 좌측 전두극의 피질 두께가 유의하게 저하되어 있었다(t=-2.73, P=0.008). 또한 뇌외상 동반 스트레스군에서 좌측 전두극 영역의 대뇌 피질 두께가 저하되어 있을수록 전반적 외상후스트레스장애 증상이 심해지는 음의 상관관계가 관찰되었다(R=-0.50, P=0.002). 결론: 뇌외상 동반 스트레스군은 스트레스군에 비해 외상후스트레스장애의 증상이 심하고, 디폴트 모드 네트워크의 기능적 연결성 및 대뇌 피질 두께가 감소되어 있었다. 또한 뇌외상 동반 스트레스군에서 이러한 뇌의 구조적 및 기능적 변이가 심할수록 외상후스트레스장애의 증상 정도도 더 심한 것을 관찰하였다. 본 연구를 통하여 경도 외상성 뇌손상을 포함하여 뇌외상을 경험하는 경우 외상후스트레스장애에서 정서 조절과 관련이 있는 전두엽 영역의 구조적 및 기능적 변이를 유발하여 회피, 침습 등의 전반적인 외상후스트레스장애의 증상 악화에 중요한 영항을 미침을 알 수 있었다. 본 연구 결과는 뇌외상 경험이 외상후스트레스장애에 더 큰 취약성을 유발하는 것에 대한 뇌 네트워크 기반의 기전 정보를 제공할 수 있다는 측면에서 중요하다. ;Introduction: Mild traumatic brain injury (mTBI) is defined as a physiological disruption of brain function as induced by external forces on the brain resulting in loss of consciousness, post-traumatic amnesia, dizziness, emotional disturbances, or witnessed disorientation. Previous studies of mTBI have suggested that mTBI and posttraumatic stress disorder (PTSD) often co-occur and patients with mTBI are at greater risks for developing PTSD. Despite remarkable progress in understanding the neurobiological mechanisms of mTBI and PTSD, the comprehensive interaction of these conditions at the level of brain network has yet to be achieved. The default mode network (DMN) is the most widely studied resting state network in relation to mTBI. The abnormalities in the DMN functional connectivity induced by mTBI have been suggested for associations with the occurrence of several psychiatric disorders including PTSD. Thus, the aim of this study was to investigate the alterations of the resting functional connectivity and cortical thickness within the DMN in relation to the mTBI and examine the relationship between these brain disruptions and symptoms of PTSD. Methods: Fifty subjects with mTBI and 50 age-matched subjects with no history of mTBI were enrolled and analyzed in this study. All subjects had psychological traumatic experiences and symptoms of PTSD that were assessed using the respective self-reported questionnaires. Functional connectivity and cortical thickness within the DMN were assessed with resting-state functional magnetic resonance images and high-resolution three-dimensional T1-weighted images, respectively. Relationships of the symptoms of PTSD with functional connectivity and cortical thickness in the DMN were also examined. Results: mTBI-related reduction in the functional connectivity was found in the DMN. In the stress+mTBI group, connectivity in the left frontal pole was negatively associated with PTSD symptoms, particularly hyperarousal and avoidance symptoms (total score, R=-0.36, P=0.03; hyperarousal, R=-0.34, P=0.05; avoidance, R=-0.43, P=0.01). Based on a vertex-wise analysis, stress+mTBI group showed lower cortical thickness in the left frontal pole region than the stress group (t=2.73, P=0.008). Additionally, cortical thinning in the left frontal pole region was associated with greater PTSD symptoms in the stress+mTBI group (total score, R=-0.50, P=0.002; hyperarousal, R=-0.45, P=0.01; avoidance, R=-0.44, P=0.01; intrusion, R=-0.51, P=0.002; sleep/numbness, R=-0.39, P=0.02). Conclusion: The current study examined the impact of mTBI on the brain mechanisms by assessing the functional connectivity and cortical thickness as well as PTSD symptoms. The current findings demonstrate that structural and functional alterations within the DMN as induced by mTBI are associated with PTSD symptoms. The current results may provide insights into the brain correlates underlying risks for developing PTSD symptoms in mTBI patients.