1963년 100-200 Hz의 고주파 자극에 의해 파킨슨병(Parkinson disease) 환자의 진전이 호전되었다는 보고[1] 이래 현재까지 뇌심부자극술은 파킨슨병, 본태성 진전(essential tremor), 근긴장이상증(dystonia) 등의 이상운동 질환에서 안전하고, 효과적인 치료법으로 알려져 있다. 비록 뇌심부자극술의 명확한 기전은 아직까지 밝혀지지 않은 상태이나, 다양한 난치성 신경계질환 및 정신과질환에 대해서도 뇌심부자극술이 시도되고 있다. 미국 식약청은 1997년 진전에 대한 뇌심부자극술을 승인하였고, 이후 파킨슨병(2002년)과 근긴장이상증(2003년), 강박증(2009년)에 대한 뇌심부자극술을 차례로 승인하였다. 국내에서는 2005년 1월 뇌심부자극술이 보험 적용 대상이 되었으며, 현재 진전, 파킨슨병, 근긴장이상증, 강박증, 만성통증, 간질 등 다양한 질환에서 뇌심부자극술이 시행되고 있다.

이에 대하여 지금까지 알려진 뇌심부자극술의 기전을 살펴보고, 뇌심부자극술의 수술방법과 본태성 진전, 파킨슨병, 근긴장이상증, 강박증을 중심으로 뇌심부자극술의 임상 적응증 및 치료성적에 관하여 약술하고자 한다.

뇌심부자극술 기전에 대한 초기 가설은 임상결과와 관련지어 설명하고자 하였다. 파괴술에 이용되는 뇌심부핵을 고주파로 자극을 하면 뇌심부핵의 기능이 억제되어 파괴술과 동일한 효과를 얻을 수 있다는 것을 근거로 뇌심부자극술의 기전을 이해하였다. 고주파자극에 의한 신경억제는 쥐를 대상으로 한 시상하핵 뇌심부자극술에서 관찰되었으며, 이후 영장류와 인간을 대상으로 시행한 뇌심부자극술에서도 비슷한 결과가 보고되었다[2].

한편 뇌심부핵의 자극에 의해 뇌심부핵의 출력이 증가하고, 하위 신경핵의 신경 활성도가 증가한다는 여러 문헌이 보고되기도 하였다. Hashimoto 등[3]은 파킨슨병 원숭이를 대상으로 하시상핵에 자극을 가하였을 때 내측 및 외측 담창구에서의 활성도가 증가하는 것을 관찰하였다. 또한 양전자방출 단층촬영(positron emission tomography) 연구에서 하시상핵 뇌심부자극술 후 내측 담창구의 혈류가 증가되는 것이 관찰되었고[4], 기능적 뇌자기공명영상(functional magnetic resonance imaging) 연구에서도 하시상핵 자극 후 내측 담창구의 혈중 산소치 의존 신호(blood oxygen level-dependent signal)가 증가됨이 관찰되었다[5].

뇌심부자극술의 기전에 대한 초기의 연구들이 자극 목표점에 대한 직접적인 효과에 초점을 맞추었다면, 최근 연구는 자극이 주어진 뇌심부핵뿐만 아니라 뇌심부핵 주변에 걸친 신경경로들의 활성에 주안점을 두었다. 하시상핵에 대한 자극은 흑질선조체(nigrostriatal), 담창구핵시상(pallidothalmic), 소뇌시상(cerebellothalamic), 담창구핵흑질(pallidonigral) 신경섬유를 활성화시키며, 이 모든 신경섬유들의 조화가 뇌심부자극술에 의한 증상완화에 기여하는 것으로 받아들여 지고 있다[6].

결국 뇌심부자극술은 자극이 가해진 뇌심부핵의 출력을 증가시키고, 흥분성과 억제성의 동시 복합적인 효과를 통해 주위 신경섬유를 활성화시켜 기저핵-시상피질 네트워크(basal ganglia-thalamocortical network) 전반을 조절(neuromodulation)하는 것으로 이해되고 있다[1].

환자는 뇌의 해부학적 구조물들의 공간적 위치를 파악하기 위하여 수술 전 각성 상태에서 뇌정위틀을 고정한다. 촬영된 영상은 치료계획 프로그램(예: Surgiplan 또는 Frame-link)을 통해 전교련-후교련 연결선(anterior commis-sure-posterior commissure line)을 기준으로 정렬하여 재구성한다. 기존의 뇌도감(brain atlas)에서 알려져 있는 뇌심부핵의 좌표를 이용하여 목표점을 정한다. 뇌심부핵 전극의 가상 궤적(trajectory)이 대뇌 고랑과 주변 혈관을 피하고, 뇌실을 통과하지 않도록 주의하여 전극 삽입점(entry point)을 선택한다(Figure 1A). 국소 마취 혹은 전신 마취 후 미리 정한 전극 삽입점에 두개골 천공(burr hole trephination)을 시행하고 경막을 절개한다. 뇌정위틀을 이용하여 미리 정한 목표점을 향하여 전기 신호 기록용 미세전극(microelectrode)을 삽입한다. 한 개 혹은 5개의 미세전극을 이용하여 전기생리신호를 기록하여 전기생리신호들 중 목표점과 가장 일치하는 궤적을 확인한다(Figure 1B). 전기자극(test stimulation)을 주어 환자의 증상완화 정도와 부작용을 면밀히 관찰한다. 미세전극 전기생리신호 기록(microelectrode recording)과 전기자극을 통하여 최적의 목표점을 확인한 후 영구자극전극(permanent electrode; 예: active 3387, 또는 3389)을 동일 위치에 삽입하고 X-선 투시(fluoroscopy)나 C-arm을 촬영하여 이를 확인한다. 14 mm 크기의 천공덮개를 이용하여 영구자극전극선을 두개골에 고정한다. 쇄골 아래 부위에 약 5 cm 정도의 피부 절개를 하고 자극기(pulse generator)를 삽입할 부위를 만든다. 두피와 쇄골 하 부위를 연결하는 피하통로를 만든 후 전기자극기 연결선(lead extension)을 통과시켜 쇄골 하 전기자극기와 두피 내 영구자극전극을 각각 전기자극기 연결선에 연결한 후 쇄골 하 절개 부위와 두피 절개 부위를 봉합한다(Figure 2). 수술 후 뇌전산화단층촬영을 시행하여 뇌 내 출혈 여부와 전극의 위치를 확인한다(Figures 3,4). 환자상태를 고려하여 자극기를 켜서 낮은 자극 세기부터 뇌심부핵 자극을 시작하며, 자극기 프로그래머(N’ Vision; Medtronic, Minnea-polis, MN, USA)를 이용하여 환자의 증상을 완화시키기 위한 최적의 자극기 자극조건(programming parameters)을 설정한다.

뇌심부자극술은 본태성 진전, 파킨슨병, 근긴장이상증에 대한 안전하고 효과적인 치료법으로 알려져 있다. 또한 약물에 불응하거나 부작용을 보이는 다양한 신경계 질환 및 정신과 질환에서도 뇌심부자극술이 시도되고 있으며, 현재 여러 뇌심부 자극 목표점에 대한 연구가 진행 중이다(Table 1). 여기서는 본태성 진전, 파킨슨병, 근긴장이상증, 강박증을 중심으로 뇌심부자극술의 임상 적응증 및 치료성적에 대하여 살펴보겠다.

뇌심부자극술은 다양한 질환에서 유용한 치료효과를 보여주고 있다. 그 동안 뇌심부자극술의 치료기전에 대한 이해가 깊어졌으나 근본적인 기전은 아직 밝혀지지 않았다. 향후 뇌신경영상 연구와 전기생리학적 연구 등 다양한 기초연구와 임상시험들은 뇌심부자극술의 명확한 기전을 이해하는데 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 약물 불응성 신경계질환 및 정신과질환을 대상으로 효과적인 뇌심부자극술을 시행하기 위해서는 신경외과, 신경과, 정신과, 임상신경생리학, 의공학, 영상의학 등의 다학제적 접근이 요구되며, 이를 통해 새로운 자극 목표점과 보다 폭넓은 임상 적응증을 대상으로 뇌심부자극술이 시행될 수 있을 것이다. 뇌심부자극술의 정확성 및 안전성을 보장하기 위한 더욱 정밀하고 향상된 하드웨어의 개발 또한 함께 이루어져야 할 것이다.

이 논문은 뇌심부자극술이 다양한 신경과 및 정신과질환에서 약물치료에 잘 반응하지 않는 증상들을 어떻게 호전시키는지 기전에 대한 기본 설명에서 시작하여 뇌심부자극술의 수술과정과 임상 적응증에 대하여 포괄적인 설명을 제시하는 논문이다. 뇌신경영상 및 전기생리학적 연구를 통한 뇌심부자극술의 기전 규명, 신경과, 신경외과, 정신과, 의공학의 다학제적 접근을 통한 뇌심부자극술의 정확성 및 안전성 향상의 방향을 제시했다는 점에서 의의가 있는 논문이라 판단된다.

[정리: 편집위원회]