The Alterations of Electrophysiological Activity and Glucose Metabolism after 1 Hz Repetitive Transcranial Magnetic Stimulations

Abstract

반복적 저주파 자기 자극술(이하 rTMS)을 일정시간 운동영역에 시도하면 자극조건에 따라 대뇌피질에 국소적으로 억제 또는 강화 효과를 유발한다고 알려져 왔으나 다른 부위나 시간적 변화에 대한 보고는 없었다. 이번 연구에서 저자는 역치상자극으로 1Hz의 rTMS을 비운동영역에 시행한 후 운동영역과 뇌 전반에 미치는 효과와 시간의 변화에 따른 효과를 관찰하고자 하였다. 모두 17명의 건강 성인을 대상으로 rTMS를 5일 연속으로 (1Hz, 110% 휴지기 역치자극, 총 1800 번)을 우측 관자엽 (10-20 국제뇌파체계상 T4에 해당하는 부위)에 시행하고 뇌파신호는 rTMS 시행 전과 후 그리고 마지막 2주가 되는 시점에 다시 한 번 측정하였고, 밴드파워는 각각 델타(1-3 Hz), 세타(4-7 Hz), 알파(8-12 Hz), 베타(13-20 Hz), 감마(20-40 Hz)파로 나누어 계산하였다. 뇌파 분석은 크게 선형 분석과 비선형 분석을 시행하였는데, 상대적 밴드파워 스펙트럼(relative band power spectrum analysis)과 동시화(syhchronizaton)를 관찰하기 위해 선형뇌파분석으로는 교차상관(cross correlation) 과 비선형뇌파분석 중 상호정보(mutual information)를 측정하였다. 그 외 신경계의 복잡성(complexity)을 측정하는 비선형뇌파 분석인 상관차원(correlation dimension)과 최대리아프노프지수(maximal Lyapunov exponent)를 각각 정량적 뇌파 분석 소프트웨어인 'Complexity' 프로그램(LAXTHA, Daejun, Korea)을 이용하여 분석하였다. 통계분석은 Wilcoxin signed ranks를 적용하여 분석하였다. 또한 F-18 fluorodeoxyglucose(이하 FDG) Positron Emission Tomography (이하 PET)을 시행 후 statistical parametric mapping(이하 SPM) 분석연구를 통하여 1Hz rTMS 후 국소적인 당대사의 변화를 관찰함으로써 분석결과를 비교하였다. 그 결과 1Hz rTMS를 시행 직후 알파, 감마, 세타 파의 밴드파워값과 최대 리아프노프값이 자극 동측과 반대쪽 뇌반구에서 유의하게 증가하였으며, 교차상관과 상호차원의 값이 오른쪽 이마관자마루엽 부위와 왼쪽 이마관자엽 부위에서 감소되는 소견을 보였다(p<0.001 to 0.041). 운동 영역에서의 피질 잠복기 지수의 평균값은 시행 직후에 유의하게 연장되었다 (p<0.0001). F-18 FDG PET SPM분석에서는 자극 동측의 아래옆마루관자피질(inferior lateral temporal cortex)에서 당대사가 감소되었고(uncorrected p<0.0001), 동측 일차운동영역, 운동앞영역, 보조운동영역, 띠이랑과 반대측 운동앞영역에서는 당대사가 증가되었다(uncorrected p<0.0001). 이러한 결과를 종합해보면 국소적으로 1 Hz rTMS을 시행하였을 때 자극 부위 대뇌피질흥분도를 감소시키며 대뇌피질간 억제 작용을 증가시키고, 뇌 전반에 걸쳐 뇌활성도의 동시화를 감소시키고 복잡성을 증가시키며, 이것은 특히 전운동영역의 활성화와 연관됨을 알 수 있었다. 이러한 결과는 저주파 rTMS가 간질이나 운동질환 같은 이상적인 뇌피질을 보이는 질환에 대한 새로운 치료적용의 가능성 뿐만 아니라 그 치료기전에 대한 이해를 돕는 데에도 유용하다고 할 수 있겠다.;Backgrounds: One Hz repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) on motor cortex is known to decrease motor cortical excitability locally suggesting a possibility to use this method for epilepsy treatment, but the treatment mechanism or the effects at distant cortical area remain unclear. We investigated spatiotemporal changes in cortical neuronal activity and regional cerebral glucose metabolism induced by local suprathreshold 1 Hz rTMS. Methods: Seventeen healthy subjects underwent daily rTMS for 5 consecutive days (1 Hz rTMS, 110% of resting motor threshold, 1800 stimuli) over right temporal cortex (T4 of 10-20 international EEG system). Subjects had been examined with digital EEGs and 18F-FDG PET before and after 1Hz rTMS. We also measured resting motor threshold (r-MT), recruitment curve, and cortical silent period (CSP) as indices for cortical excitability. EEGs were collected at 19 electrodes baseline, before and after each rTMS session, and 2 weeks after the last rTMS session. Band powers of 2-4, 4-8, 8-13, 13-20, 20-40 Hz were calculated. Cross correlation (CC), mutual information (MI), and correlation dimension (D2), the maximum Lyapunov exponent (Lmax) were tested to investigate changes of EEG dynamics of synchronization and complexity. Wilcoxin signed ranks test was used for statistical analysis. PET images were performed in 13 patients at baseline and just after the last rTMS session, and analyzed with Statistical Parametric Mapping (SPM) analysis using a paired t-test. Results: After daily 1Hz rTMS, CSP was prolonged in the ipsilateral hemisphere (p<0.0001). Alpha, gamma, theta band powers and the Lmax increased significantly after daily rTMS (p<0.0001 to 0.041, p<0.0001 to 0.038, respectively) at stimulated and distant cortical areas, both in ipsilateral and contralateral hemispheres. CC decreased in both frontotemporal and MI decreased after daily rTMS session at right frontocentrotemporal and left frontotemporal areas (p<0.001 to 0.048, p=0.001 and 0.024, respectively). Cerebral glucose metabolism decreased in right lateral mid- and inferior temporal, insular and inferior frontal gyri (uncorrected p <0.0001, voxel>100), and increased in bilateral precentral and part of postcentral gyri (uncorrected p < 0.0001, voxel>100) after 1Hz rTMS compared to the baseline. Conclusions: These findings suggest that focal 1 Hz rTMS can induce changes on cortical neuronal activity and glucose metabolism. 1Hz rTMS on unilateral temporal cortex enhances intracortical inhibition and produces focal neuronal inhibition near the stimulated cortical region. Cortical inhibition and neuronal complexity increase, and cortical synchronization decrease cortical synchronization at stimulated and distant cortical areas. Glucose metabolism decreased at stimulated and adjacent areas whereas increased at distant area especially both prefrontal cortices after 1Hz rTMS on temporal cortex. Modulation of neuronal activity by 1Hz rTMS decreases regional cortical activity and modulates neuronal activity on cortical network mediated by corticocortical interaction.