Changes in human cortical gyral complexity pattern during normal aging: Analysis of cortical gyrification index

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 협동과정뇌과학전공, 2012. 8. 류인균.연구 목적 피질 주름 (gyrification) 패턴 분석으로 정량화될 수 있는 피질 복잡성 (cortical gyral complexity)의 정도는 인간 뇌 구조의 특성을 반영하는 중요한 지표로 알려 져 있다. 그러나, 정상 노화 (normal aging) 과정에 따른 피질 주름 구조의 변화를 관찰한 연구는 그 수가 매우 적었으며, 보고된 결과에서도 대뇌 영역 별 변화 양상의 차이에 대한 구체적인 정보를 제공하지는 못하였다. 이에, 이번 연구에서는, 다수의 정상인을 대상으로 연령이 증가함에 따라 정량화된 피질 주름 패턴이 어떻게 변화하는지를 분석하였으며, 뇌 영역에 따라 피질 복잡성의 변화 양상에 차이가 있는지를 규명하고자 하였다. 연구 방법 이번 연구에서는 청소년기부터 이른 노년기 (연령대: 15 - 67세)의 연령대에 포함되는 건강한 정상인 총 130명 (남성: 69명, 여성: 61명)을 대상으로 구조 자기공명영상을 획득한 후, 피질 복잡성에 대한 정량화 지표로서 고해상도 T1-강조 영상을 이용한 local gyrification index를 측정하였다. Local gyrification index는 기존의 피질 주름 패턴을 측정하는 여러 방법론들에 비하여 공간 해상도 (spatial resolution)가 상대적으로 높아, 뇌의 특정 영역에서의 피질 주름 양상에 대한 구체적인 정보를 준다는 면에서 장점이 있다. 이번 연구에서는 해부학적/기능적 구분 단위로 널리 받아들여 지는 뇌 관심 영역 (상측 전두엽, 하측 전두엽, 두정엽, 측두엽, 변연계, 후두엽)을 선택하고, 각 뇌 관심 영역에서의 local gyrification index 측정치에 대한 피험자 연령의 영향을 확인하고자 다중선형회귀분석 (multiple linear regression analysis)을 이용하여 분석하였다. 또한 연령의 변화에 따른 local gyrification index 측정치의 감소 양상이 뇌 관심 영역에 따라 다른지를 알아보고자 혼합모형회귀분석 (mixed-model regression analysis)을 이용하여 분석하였다. 마지막으로, 백질의 수초화 (myelination) 과정이 끝나고 본격적으로 퇴행성 변화가 시작된다고 알려 진 45세 시점을 기준으로 연령에 따른 local gyrification index 감소 양상이 45세 이전과 이후에서 각각 다르게 나타나는지를 알아보고자 조각별회귀분석 (piecewise regression analysis)을 이용하여 분석하였다. 연구 결과 연구 결과, 연령의 증가에 따라 광범위한 뇌 영역에서의 local gyrification index가 감소됨을 관찰 할 수 있었다 (상측 전두엽, ß = -0.67, p < 0.001하측 전두엽, ß = -0.46, p < 0.001두정엽, ß = -0.58, p < 0.001측두엽, ß = -0.44, p < 0.001후두엽, ß = -0.31, p < 0.001). 특히, 관심 영역 중 상측 전두엽, 하측 전두엽, 두정엽, 측두엽은 후두엽에 비해 연령에 따른 local gyrification index의 감소 정도가 크게 나타났다 (상측 전두엽, z = -5.59, p for interaction < 0.001하측 전두엽, z = -4.86, p for interaction < 0.001두정엽, z = -6.29, p for interaction < 0.001측두엽, z = -4.44, p for interaction < 0.001). 그러나, 변연계에서는 연령에 따른 local gyrification index의 감소가 상대적으로 크지 않았으며 (β = -0.18, p = 0.02), 후두엽에서의 local gyrification index에 대한 연령의 영향의 크기와 비교하여도 비슷한 수준이었다 (z = 0.98, p for interaction = 0.33). 45세 이상 연령대의 피험자군에서 상측 전두엽, 하측 전두엽, 두정엽, 측두엽의 local gyrification index에 대한 연령의 영향 (β values-0.28, -0.10, -0.16, -0.04, respectively)은, 45세 미만 연령대의 피험자군에서 관찰된 연령의 영향에 비해 (β values-0.56, -0.43, -0.46, -0.46, respectively) 전반적으로 작았으나, 조각별회귀분석에 따른 검증에서는 통계적인 차이를 관찰하지 못하였다 (상측 전두엽, t = 0.69, p = 0.49하측 전두엽, t = 0.70, p = 0.48두정엽, t = 1.00, p = 0.32측두엽, t = 1.53, p = 0.13). 변연계와 후두엽에서 관찰된 local gyrification index에 대한 연령의 영향은 45세를 기준으로 나눈 집단 간 비교에서도 통계적인 차이를 보이지 않았다 (변연계, t = -0.77, p = 0.44후두엽, t = -1.04, p = 0.30). 결론 이번 연구는 비교적 광범위한 연령대의 피험자를 대상으로 하였으며, 연령의 변화에 따른 피질 주름 복잡성의 변화를 규명하기 위하여, 피질 주름 복잡성의 지표로서 local gyrification index를 적용한 최초의 연구이다. 연구 결과를 통해, 고위 피질 기능을 담당한다고 알려 진 뇌 영역들은 일차적 감각 혹은 감정 기능을 담당하는 뇌 영역에 비해 local gyrification index의 감소에 대한 연령의 영향이 큼을 알 수 있었다.I. 연구 배경 및 필요성 1 1.1. 인간 대뇌 피질 주름 복잡성 측정과 그 변화의 의미 1 1.2. 피질 주름 패턴 연구 방법론 4 1.3. 발달 및 노화 단계에 따른 피질 주름 패턴의 변화에 대한 뇌영상 연구 9 1.4. 연구의 필요성 18 1.5. 연구의 목적 및 가설 19 II. 연구 대상 및 방법 22 2.1. 연구 피험자 22 2.2. 뇌영상 획득 24 2.3. 뇌영상 자료 분석 24 2.3.1. 피질 표면의 재구성 24 2.3.2. Local gyrification index 측정을 위한 표면 재구성 26 2.3.3. 관심 영역의 생성 및 관심 영역에서의 local gyrification index 측정 32 2.4. 통계 분석 35 2.4.1. 주 가설에 대한 분석 35 2.4.2. 탐구 가설에 대한 분석 37 III. 연구 결과 39 3.1. 주 가설에 대한 분석 결과 39 3.1.1. 관심 영역 내에서의 local gyrification index 측정치에 대한 연령의 영향 39 3.1.2. 후두엽 관심 영역에 비한 타 관심 영역에서의 local gyrification index 측정치에 대한 연령의 영향의 차이 49 3.1.3. 45세 이전과 이후에서의 관심 영역 내에서의 local gyrification index 측정치에 대한 연령의 영향의 차이 51 3.2. 탐구 가설에 대한 분석 결과 55 3.2.1. 전체 뇌 표면 꼭지점 기반 접근 방식에 의한 local gyrification index 측정치에 대한 연령의 영향 55 3.2.2. 좌반구 및 우반구 관심 영역의 local gyrification index측정치의 차이 55 3.2.3. 관심 영역의 local gyrification index 측정치의 성별에 따른 차이 58 IV. 고 찰 61 4.1. 연령의 증가에 따른 local gyrification index 변화 양상 61 4.2. 연령의 증가에 따른 local gyrification index 감소 정도에 있어 피질 영역 별 차이 63 4.3. 연령의 증가에 따른 local gyrification index의 감소 정도에 있어 45세 전후의 시기별 차이 68 4.4. 탐구 분석 71 4.4.1. 전체 뇌 표면 꼭지점 기반 분석에서 연령에 따른 local gyrification index의 변화 71 4.4.2. 좌반구 및 우반구의 local gyrification index의 차이 72 4.4.3. 남녀 간 local gyrification index의 차이 74 4.5. 연구의 장점 75 4.6. 연구의 제한점 및 제언 77 V. 결 론 80 참고 문헌 81 영문 초록 96Docto