통증은 외부 자극에 대한 신체적 반응에 더해, 생물학적·심리학적 요인들이 복합된 경험이다. 예를 들어, 외부 자극의 세기에 더해 ‘그 자극이 얼마나 아플 것인지에 대한 예상’까지 더해져 통증의 강도를 결정한다는 것이다.
기존까지의 연구들은 통증이 뇌의 어느 영역을 활성화시키는지를 밝혔다. 그러나 각각의 요인들이 어떻게 통합돼 ‘아프다’라고 느끼게 하는지는 알려지지 않았다. 기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단 소속 우충완 부단장과 유승범 참여교수 공동연구팀이 ‘통증 정도에 대한 기대치와 실제 자극의 세기’를 어떻게 통합하는지를 규명했다.
‘예상하는 통증’과 ‘실제 통증’은 통합된다
연구팀은 참가자들에게 열 자극(통증 자극)을 가할 것이라는 사실을 안내하며, 그것이 얼마나 아플지를 예상하게 했다. 이후 참가자의 팔에 열 자극 기기를 부착하고, 다양한 세기로 자극을 전달하며 fMRI(기능적 자기공명영상)를 통해 뇌 신호를 측정했다.
해당 데이터를 확인한 결과, 같은 세기로 자극을 가했음에도 ‘많이 아플 것’이라고 예상한 피험자가 실제로 더 큰 통증을 느꼈다고 보고하는 경향을 보였다. 이는 통증을 느낄 때 ‘통증에 대한 기대치’와 ‘실제 자극의 세기’가 통합된다는 것을 의미한다.
뇌의 고차원적 영역에서 정보 통합 이루어져
연구팀은 그 다음으로, ‘통증에 대한 정보’가 뇌에서 어떤 식으로 통합되는지를 밝히기 위한 가설을 세웠다. 이를 위해 당사자가 예측한 통증의 세기와 실제 자극의 세기 정보가 모두 보존돼야 한다는 전제하에, ‘보존과 통합’이라는 과정에 중점을 뒀다.
연구팀은 뇌를 피질계층으로 나눠 접근했다. 연구팀이 세운 가설은 낮은 층위에 해당하는 ‘감각 영역’에서는 두 정보 중 하나만 보존돼 통합이 이루어지지 않으며, 고차원적 사고 등을 처리하는 ‘연합 영역’에서는 두 정보가 모두 온전히 보존·통합된다는 것이었다.
fMRI 데이터를 분석한 결과, 가설과 달리 뇌의 모든 계층에서 예측 정보와 실제 자극 정보를 모두 보존하고 있음을 확인했다. 다만, ‘통증 정보의 통합’은 ‘연합 영역’과 같은 높은 층위 영역에서만 이루어졌다.
각 피질계층 영역에는 통증 정보를 보존하는 하위 공간이 존재했으며, 높은 층위 영역에서는 하위 공간에서 나오는 정보의 합과 실제 참가자들이 보고한 통증 정도가 일치했다. 즉, 실제 인간이 경험하는 통증은 뇌의 고차원적 영역에서 통합돼 나타난다는 사실을 규명한 것이다.
통증 치료 전략 발전에 기여할 것
이번 연구는 전기생리학 방법론과 fMRI를 통한 뇌 전체 촬영기법을 결합해, 뇌 전체 수준에서의 통증 정보 처리 메커니즘을 규명한 사례다. 기존까지의 연구가 뇌의 특정 영역에서 이루어지는 통증 정보 처리에 주목했다면, 이번 연구는 전체 통증 정보가 어떻게 통합되는지에 대한 수학적 원리를 밝혀냈다는 점에서 의의가 있다.
우충완 부단장은 “이번 발견은 통증의 신경과학적 이해를 확장하는 중요한 기틀을 마련했다”라며 “만성 통증 치료의 새로운 전략을 개발하는 데 있어 중요한 단서를 제공한 것”이라고 이야기했다. 유승범 교수는 “뇌 활성화 패턴의 기하학적 정보를 이용해, 각기 다른 정보의 통합 메커니즘을 밝힌 혁신적 연구 사례”라고 전했다.
연구 결과는 국제 학술지 「사이언스 어드밴시스(Science Advances)」에 지난 9월 12일 온라인 게재됐다.
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