심부 뇌 자극(DBS) 기술의 발전으로 이제는 치료적 자극을 제공하는 것 외에도 이식된 전극으로부터 전기생리학적 신호를 기록하는 것이 가능해졌습니다. 장기간의 두개 내 DBS 기록은 수면 촉진제와 같은 약물의 신경학적 효과를 특성화할 수 있으며, 이를 통해 해당 약물의 회로 기반 작용 기전을 이해할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다.
방법 논문
심부 뇌 자극(DBS) 기술의 발전으로 이제는 치료적 자극을 제공하는 것 외에도 이식된 전극으로부터 전기생리학적 신호를 기록하는 것이 가능해졌습니다. 장기간의 두개 내 DBS 기록은 수면 촉진제와 같은 약물의 신경학적 효과를 특성화할 수 있으며, 이를 통해 해당 약물의 회로 기반 작용 기전을 이해할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다.
심부 뇌 자극(DBS) 기술의 발전으로 이제는 자극을 제공하는 것뿐만 아니라 이식된 전극을 통해 전기생리학적 신호를 기록하는 것이 가능해졌습니다. 이러한 두개내 기록은 증상 및 자연스러운 행동과 관련하여 인간 피험자의 뇌 활동을 시간에 따라 측정할 수 있는 드문 기회를 제공합니다. 객관적인 바이오마커를 사용하여 인간 피험자에게 투여된 약물제제와 같은 치료 중재의 회로 수준 작용 기전을 식별할 수 있습니다. 본 논문에서 저자들은 향정신성 의약품의 신경학적 효과를 특성화하기 위해 약물 중재 중 자연스러운 환경에서 장기 전기생리학적 기록을 수행하는 방법을 설명합니다. 저자들은 불면증을 동반한 중증의 난치성 OCD로 DBS 치료를 받는 환자의 예시 사례를 제시하며, 이 환자의 종말선조체 침대핵(BNST)에서 베타 활동을 종단적으로 모니터링하였습니다. 저자들은 밤에 복용하는 불면증 치료용 수면 촉진 오렉신 길항제의 용량을 줄였을 때, 밤새 각성과 관련된 BNST 베타 바이오마커가 유의하게 상승한다는 것을 발견했습니다. 이 사례 연구는 각성 관련 BNST 활동을 조절하는 데 있어 오렉신 신호 전달의 역할을 입증하며, 약물제제의 회로 기반 작용 기전을 식별하는 데 있어 DBS 기록의 유용성을 강조합니다.
조절되지 않는 뇌 전기생리학적 활동은 많은 신경정신질환 병생리학의 핵심입니다. 따라서 이러한 질환을 치료하기 위한 약리학적 제제는 뇌의 내인성 전기생리학적 활동을 수정하여 증상과 행동을 변화시키는 방식으로 작용해야 합니다. 그러나 연구자들이 뇌 전기 활동을 모니터링하는 방법은 여전히 제한적입니다. 현재 인간 피험자를 대상으로 약리학적 제제의 신경학적 효과를 특성화하는 주요 양식은 기능적 영상법입니다. 기능적 영상법은 비침습적이며 공간적으로 포괄적이라는 장점이 있지만, 종종 대사 활동을 전기생리학적 활동의 대리 측정치로 활용하며, 시간적 샘플링이 제한적이어서 특정 시점의 뇌 활동을 짧은 스냅샷 형태로만 포착한다는 한계가 있습니다. 이러한 이유로, 자연스러운 증상 및 행동의 시간 척도에 걸쳐 뇌 전기 활동을 직접 모니터링할 수 있는 방법은 약리학적 제제의 메커니즘을 이해하는 능력을 크게 향상시킬 것입니다.
뇌심부자극술(Deep brain stimulation, DBS)은 운동 장애, 뇌전증, 강박 장애(OCD)와 같은 난치성 신경정신질환을 치료하는 데 자주 사용되는 표적 회로 기반 치료법입니다1,2. DBS는 뇌 심부 구조에 삽입된 전극을 통해 전기 자극을 전달하여 조절되지 않는 신경 회로를 변조하는 방식입니다. DBS 기술의 발전으로 이제는 자극 제공뿐만 아니라 전극에서 국소 전위(local field potential, LFP) 신호를 기록할 수 있게 되었으며, 이를 통해 만성 두개내 기록을 이용한 뇌 활동의 종단적 측정이 가능해졌습니다1,2,3,4. 이러한 전기생리학적 신호는 질환 특이적 증상 및 치료 반응의 객관적 바이오마커를 식별하는 데 사용될 수 있습니다5,6,7. 현재 이러한 임상적 바이오마커는 감지된 병리적 뇌 활동의 변화에 따라 자극 파라미터를 조정하는 적응형 DBS(adaptive DBS)를 개발하는 데 활용되고 있습니다3,6,8. 또한 이러한 전기생리학적 기록은 수일에서 수개월에 걸쳐 인지 및 행동 상태의 신경적 상관물을 식별하는 데 활용될 수 있습니다6,8,9.
신경 조절 중재의 영향을 특성화하는 것 외에도, 두개 내 기록은 자연스러운 환경에서 약물 제제에 반응하여 나타나는 활동의 전기생리학적 변화를 지속적으로 특성화할 수 있는 드문 기회를 제공합니다. 예를 들어, 파킨슨병에서의 도파민 대체 약물이 운동 증상의 개선과 관련된 병리적 피질-기저핵 베타 진동을 억제할 수 있음이 관찰되었습니다10. 이와 유사한 접근 방식을 통해 수면 장애8,11와 같은 다른 신경정신과적 질환에서 약물의 회로 기반 작용 기전을 특성화하는 데 활용될 수 있습니다.
본 논문에서 저자들은 임상적 증상 척도 및 자연스러운 상태에서의 웨어러블 센서 기반 행동 측정과 병행하여, Medtronic Percept BrainSense 기록 시스템을 사용하여 종단적 뇌내 전기생리학 데이터를 획득하는 프로토콜을 설명합니다. 현재 상용화된 DBS 장치는 몇 주 동안 주파수 제한 대역 내의 뇌 활동을 지속적으로 기록할 수 있습니다. 본 프로토콜은 관심 있는 바이오마커의 스펙트럼 주파수가 이전의 연구 노력을 통해 이미 알려져 있다고 가정합니다. 본 사례 연구에서 연구자들은 일주기 수면-각성 활동 및 오렉신 길항제인 lemborexant의 효과와 관련된 전기생리학적 활동을 만성적으로 기록합니다. 하지만 여기서 설명하는 방법은 일반적이며, 다른 증상/행동 영역 및 약물군 전반에 걸쳐 폭넓게 적용될 수 있습니다.
본 프로토콜은 캘리포니아 대학교 샌프란시스코(UCSF)의 검토 및 승인을 받았습니다. 여기에 제시된 데이터는 인도적 기기 면제(Humanitarian Device Exemption) 하에 승인된 이식형 펄스 생성기(IPG)를 사용하여 강박 장애(OCD)에 대한 뇌심부 자극술(DBS)을 받고 있는, 치료 저항성 중증 OCD 및 동반 불면증 환자로부터 얻은 것입니다. 만성 두개 내 신경 기록, 웨어러블 생리학적 데이터 및 자기 보고 행동 측정치 수집을 허용하는 UCSF 기관생명윤리위원회(IRB) 승인 프로토콜(IRB: 20-31239 )에 따라 참여자로부터 서면 동의를 받았습니다. 해당 환자의 불면증은 수면 촉진제인 lemborexant로 치료 중이었습니다. Lemborexant는 orexin-1 및 orexin-2 수용체의 이중 억제제입니다. 본 연구에서 저자들은 불면증이 개선된 후 약물을 점차 줄여가는 과정에서, lemborexant 용량을 10 mg에서 5 mg으로 감소시켰을 때 종말선핵(BNST) 내에서 기록된 두개 내 베타 신호에 미치는 영향을 분석하였습니다.
1. 종단적 두개내 전기생리학적 기록을 위한 장치 설정
2. 약물 투여 일정 및 용량 조정 기록
3. 온라인 자기보고식 행동 측정치 수집
4. 웨어러블 센서 데이터 수집
5. 약물 투여 이벤트에 맞춘 데이터 통합 및 분석
6. 약물 변경 이벤트에 따른 에포크 정의
7. 일주기 및 시간대 분석
Medtronic Percept IPG를 통해 양측 DBS 리드를 삽입한 치료 저항성 OCD 환자의 우측 BNST에서 만성 두개내 LFP 기록을 얻었습니다 (그림 1). 해당 피험자는 불면증을 앓고 있었으며, 수면 촉진을 위해 저녁마다 lemborexant 약물을 복용하여 치료받고 있었습니다. 이전 연구들을 바탕으로, 모든 후속 분석에 사용된 기록 전극은 강력한 일주기 및 수면-각성 의존성으로 인해 우측 BNST 내의 선조체-변연계 베타-대역 활동(23.44 ± 2.5Hz)을 포착하였습니다8,11 (그림 2). 피험자에게는 연구진이 수면/각성 상태를 모니터링할 수 있는 웨어러블 링이 제공되었으며, 피험자는 온라인 Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI) 설문지를 작성하여 낮 시간 동안의 자가 보고 각성 수준을 기록하였습니다 (그림 2). 저자들이 이전에 기술한 바와 같이, 두개내 BNST 베타 활동은 피험자의 수면-각성 주기와 일치하게 낮 동안에는 높고 밤 동안에는 낮은 일주기 변동을 보입니다11.
약물로 유도된 두개내 BNST 베타 파워의 변화를 특성화하기 위해, 연구진은 오렉신 길항제 투여 용량을 줄이기 직전과 직후의 일주기 베타 활성도 변화를 관찰하였다. (그림 3). 연구진은 용량 감소 전후 30일간의 기간을 통계적으로 분석하였다. 용량 감소 후, 일주기 변동을 고려했을 때 베타 파워(beta power)의 유의미한 증가가 나타났다.p = 1.76 × 10-25, t 테스트: H0:β의학적 환원 = 0) 및 일평균 베타 전력(p = 0.003, 순열 검정)에서 (그림 4). 용량 감소 전후 30일 동안, 주간 평균 PSQI (PSQI) 점수에는 유의미한 변화가 없었습니다.pre = 4 ± 1.1, 피츠버그 수면 질 지수(PSQI)게시물 = 4 ± 0.25; ±표준오차(SEM, n = 4).
강한 일주기 의존성을 고려하여, 저자들은 오렉신 길항제의 용량 감소 후 두개 내 BNST 베타 파워가 상승하는 특정 시간대가 있는지 확인하고자 했습니다. 일반적으로, 용량 감소 후 참가자가 밤새 수면 중일 때와 오후 2~3시경 낮잠을 자는 시간대에 두개 내 BNST 베타 파워가 유의하게 상승하는 것을 발견했습니다(그림 5, p < 0.05, Wilcoxon 순위합 검정). 그러나 아침 시간대 및 낮 동안의 다른 각성 상태에서는 베타 파워의 유의미한 차이가 나타나지 않았습니다.

그림 1: DBS 기록 리드의 위치. 기록 전극의 위치는 BNST(보라색) 인근에 배치되었다. 이 그림의 확대 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 자기 보고 설문 및 웨어러블 센서 모니터링과 정렬된 선단적 선조체-변연계 beta power. 수일 동안 지속적인 DBS 기록을 획득하였다. 참가자는 Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI)를 사용하여 수면의 질을 기록하였다(진한 파란색 점). 수면-각성 상태는 웨어러블 링의 데이터를 사용하여 평가하였다(빨간색-각성, 파란색-수면). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: lemborexant 용량 감소 전후의 선조체-변연계 베타 전력. lemborexant 용량 감소 시점(수직 점선)을 중심으로 우측 종말선핵(BNST) 내 선조체-변연계 베타 전력을 연속적으로 기록한 결과. 여기를 클릭하여 이 그림의 확대 버전을 확인하십시오.

그림 4: lemborexant 용량 감량 전후의 선조체-변연계 beta 파워 증가. 약물 감량 전 30일(파란색)과 감량 후 30일(주황색)의 두개 내 BNST beta 파워 확률 분포 비교. 감량 전후 전체 30일 기간 동안의 BNST beta 파워를 비교한 박스-수염 그림. 채워진 원은 그룹 평균을 나타냄. (*** p < 0.001, t-검정: H0: βmed_red= 0). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 수면 중에는 증가했으나 각성 중에는 증가하지 않은 선조체-변연계 베타 파워. 60일의 기간(감소 전 30일(파란색) 및 감소 후 30일(주황색) 에포크) 동안 1시간 단위로 계산된 시간대별 평균 두개 내 BNST 베타 파워. 음영 처리된 밴드는 ±SEM을 나타냄. (*p < 0.05, 허위 발견율(False Discovery Rate) 보정을 적용한 Wilcoxon 순위합 검정). 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.
DBS는 파킨슨병, 본태성 떨림, 근긴장이상증, 뇌전증 및 OCD와 같은 난치성 신경정신질환의 확립된 치료법입니다12,13. 센싱 기술의 발전으로 이제 DBS 치료를 받는 인간 피험자로부터 만성적인 뇌내 기록을 수행할 수 있게 되었으며, 이는 약물의 회로 기반 작용 기전을 규명할 수 있는 드문 기회를 제공합니다. 본 논문에서 저자들은 약물의 신경 작용 기전을 이해하기 위해 약물 변경 상황에서 만성 뇌내 기록, 자기 보고 측정치 및 웨어러블 센서 데이터를 수집하는 워크플로우를 설명합니다. 많은 뇌 영역이 자연적인 일중 변동을 보이기 때문에, 시간에 따른 일주기 활동의 안정성을 통해 DBS 기록이 생물학적으로 유의미한 신호를 포착하고 있는지 확인하고 문제를 해결하는 데 활용할 수 있습니다. 일주기 활동의 큰 표류(drift)나 극심한 이상치는 아티팩트의 유입이나 시간에 따른 기록 임피던스의 완만한 변화와 관련이 있을 수 있습니다. 또한 연구자들은 약물 변경 전후의 신경 활동 변화를 식별하는 분석을 수행하기 위해 이러한 데이터 세트를 동기화하고 정렬하는 방법을 설명합니다. 제한된 수의 이식된 뇌 영역에서 전기생리학적 신경 데이터를 직접적이고 종단적으로 모니터링하는 능력은 공간적으로는 포괄적이지만 시간적 샘플링이 제한적인 기능적 영상법과 같은 다른 방법들을 보완합니다.
본 방법을 설명하기 위해, 저자들은 Medtronic Percept 이식형 펄스 발생기(IPG)와 양측 리드 시스템을 이용한 DBS 시술을 받고 있는, 치료 저항성 중증 OCD 및 동반 불면증 환자의 데이터를 제시합니다. 해당 환자의 불면증은 각성 촉진 뉴로펩타이드인 orexin이 orexin-1 및 2 수용체에 작용하는 것을 차단하는 수면 촉진제 lemborexant로 치료되고 있었습니다. 데이터는 주로 일반적인 임상 치료의 일환으로 수행된 약물 조정 과정에서 기회적으로 수집되었습니다. 피험자의 야간 lemborexant 복용량을 줄인 후, 저자들은 아침이나 하루의 대부분이 아닌 밤 시간대에 일주기 각성 관련 BNST 베타 활동이 유의미하게 증가함을 발견했습니다. 연구자들은 이전에 BNST 베타 활동이 일주기 각성과 인과적으로 연관되어 있으며, 각성 전에 증가하고 밤 동안 수면 전에 감소한다는 증거를 발견한 바 있습니다8,11. 이러한 데이터는 밤에 투여된 orexin 길항제가 각성 촉진 BNST 베타 활동을 억제할 수 있다는 회로 모델과 일치합니다14.
본 사례 연구에는 몇 가지 제한점이 있습니다. 본 데이터는 환자의 일반적인 임상 진료 과정에서 기회적으로 수집되었으므로, 연구자와 피험자가 맹검 처리된 무작위 대조 연구를 수행하는 것이 불가능했습니다. BNST 베타 활동의 변화는 약물 용량 변경과 우연히 일치하여 발생한 시간에 따른 증상 상태의 변화, 드리프트(drift), 수면 패턴의 계절적 변화 또는 기타 다른 요인들과도 관련이 있을 가능성이 있습니다. 또한, 본 사례 연구는 N = 1 연구라는 한계가 있습니다. 이러한 결과가 더 큰 규모의 피험자 집단에서도 재현될 수 있을지는 추가적인 확인이 필요합니다. 마지막으로, 저자들은 본 자연주의 연구에서의 연구 부담과 참여 장벽을 최소화하기 위해, 피험자가 스스로 투여한 약물 일정의 변화를 정확하게 자기 보고하는 방식에 주로 의존했습니다. 그러나 약물 복용 준수 여부 및 투여 시점에 대한 우려가 있는 경우에는 약물 투여 과정을 직접 관찰하는 더 엄격한 연구 설계를 시행할 수 있습니다. 복용 준수 외에 약물의 생체 이용률과 관련된 우려가 있는 경우에는, 신경 기록을 동시에 수집하면서 약물 농도와 활성 대사물을 측정하기 위해 정기적인 채혈이 필요할 수 있습니다.
여기에 설명된 사례는 자연스러운 임상 환경에서 불면증을 치료하기 위한 수면제 사용에 초점을 맞추고 있습니다. 하지만 여기에 설명된 방법들은 다양한 신경정신질환 전반에 걸쳐 광범위한 약리학적 제제의 전기생리학적 효과를 규명하는 데 적용될 수 있습니다. 예를 들어, 파킨슨병에서 도파민성 약물의 효과를 규명한 수많은 연구들이 기저핵 회로 내의 동기화된 베타 활동 억제를 이 약리학적 제제군의 잠재적인 치료 작용 기전으로 확인한 바 있습니다. 또한, 두개내 DBS 기록, 웨어러블 센서 측정 및 증상 평가를 수집하는 방법은 자연스러운 환경에서의 추가적인 종단적 행동 추적 양식을 포함하도록 확장될 수 있습니다. 조절되지 않는 뇌 활동이 많은 신경정신질환의 병태생리의 기초가 된다는 점을 고려할 때, 증상 관련 시간 척도에 걸쳐 종단적 DBS 기록을 통해 뇌 전기 활동을 직접 모니터링하는 능력은 약리학적 제제의 네트워크 작용 기전을 이해하는 창구가 될 가능성이 큽니다.
모든 저자는 이해관계의 충돌이 없음을 선언합니다.
이 연구는 OCD 연구재단(A.M.L.), 원마인드(A.M.L.), 국립정신보건연구소(NIMH) K23MH125018(A.M.L.), NIMH R21MH130914(A.M.L.), 및 브레인에서 수여한 NARSAD 젊은 연구자 과제비의 지원을 받아 수행되었습니다. & 행동연구재단(A.M.L.)
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