부정적인 생각이나 감정을 되새기는 ‘반추(反芻)’경향 예측 기술 개발

부정적인 생각이나 감정을 되새기는 ‘반추(反芻)’경향을 예측하는 기술이 개발됐다. 우울증 환자의 우울 정도도 예측할 수 있어 임상적인 활용까지 기대된다.

기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단 우충완 부단장(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀은 뇌의 활동 패턴을 기능적 자기공명영상 (Functional magnetic resonance imaging, fMRI)으로 측정해 얻은 데이터를 바탕으로, 머신러닝(Machine Learning)을 활용해 반추 정도를 예측할 수 있는 뇌 연결 지도를 제작했다.

반추는 어떤 생각이나 감정에 매몰되어 그것을 계속 반복하는 것을 말한다. 특히 부정적인 생각이나 감정에 대해 반추하게 되는 경우가 많은데, 그런 생각이 과도하게 반복되거나 부정적인 감정에 지나치게 집중하면 우울증이나 불안장애와 같은 정신 건강 문제를 유발할 수 있다. 따라서 반추는 우울증의 주요 위험 요소로  주목받아 왔다.

뇌의 여러 영역 중에서도 디폴트 모드 네트워크(Default mode network) 영역이 반추와 연관되어 있다고 알려져 있는데, 이 디폴트 모드 네트워크 중에서도 어느 영역이 연관되어 기능하는지, 그리고 그 영역과 다른 뇌 영역의 어떠한 관계성이 개인의 반추 경향을 나타내는지 알려진 바가 없었다.

* 디폴트 모드 네트워크(Default mode network): 사람이 휴식 상태에서 아무런 인지 활동을 하지 않을 때 활성화되는 뇌의 특정 영역으로, 휴지 상태 네트워크(Rest state network)라고도 한다. 자아성찰, 자전적 기억, 사회성과 감정의 처리 과정, 창의성 등에 관여하는 것으로 알려져 있다.

연구팀은 시간에 따른 뇌 영역 간의 상호작용을 수치화한 동적 연결성(Dynamic connectivity)을 분석해 시간적 지속성이 두드러지는 반추를 예측할 수 있을 것이라는 가설을 세웠다. 그리고 실험 참가자들의 휴식 상태 중 뇌를 스캔하여 디폴트 모드 네트워트 20개 영역의 활동 패턴을 측정하고, 머신러닝을 통해 각 영역 간 동적 연결성의 유효성을 분석했다.

그 결과, 반추와 관련성이 있다고 알려진 디폴트 모드 네트워크 내에서도 배내측 전전두피질(Dorsomedial prefrontal cortex)과 연결된 영역의 동적 연결성만이 반추를 예측을 하는데 중요한 요소임을 밝혀냈다. 그리고 이를 바탕으로 반추를 예측할 수 있는 뇌 연결 지도를 만들었다.

* 배내측 전전두피질(Dorsomedial prefrontal cortex): 디폴트 모드 네트워크를 구성하는 한 영역으로, 개인의 현재 상태와 관련된 생각과 연관되어 있다고 알려져 있다. 우울증 환자는 해당 영역을 중심으로 한 뇌의 연결성이 건강한 사람과 다르다고 알려져 있다.

연구팀은 국내 실험 참가자들을 대상으로 한 실험에서 뇌 연결 지도를 이용해 참가자 개인의 반추 경향을 예측할 수 있었으며, 나아가 다양한 인종 및 언어의 해외 실험 참가자들에 대한 실험에서도 반추 경향 예측에 성공했다. 이로써 반추를 예측하는 뇌 연결 지도가 다양한 환경의 사람들의 반추 정도를 예측할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 뇌 연결 지도를 우울증 환자에도 적용했는데, 반추 경향의 예측은 물론 우울증 환자의 우울 정도도 예측이 가능했다. 이것은 뇌 연결 지도를 구성하는 뇌 영역 사이의 연결성이 우울증 환자의 우울 정도와도 관련이 있음을 시사한다.

우충완 IBS 부단장은 “이번 연구로 배내측 전전두피질과 다른 뇌 영역 사이의 연결성을 분석하여 개인이 평소 얼마만큼 반추하는지 예측할 수 있음을 밝혀냈다”라며, “해당 뇌 영역 간 연결성은 건강한 사람뿐 아니라 우울증 환자의 우울 정도와도 관련 있음을 밝혀내 우울증의 메커니즘을 밝히고, 증상의 진단 및 치료 등 임상적 활용에도 도움이 될 수 있을 것”이라고 전했다.

이번 연구는 미국 다트머스 대학교의 토어 웨이거(Tor Wager) 교수 연구팀과 공동으로 수행했으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 6월 15일 온라인 게재됐다.

▲ 반추를 예측하는 모델

원 안의 선은 반추 경향을 예측하는 데 중요한 배내측 전전두엽피질(dmPFC)과 다른 뇌의 영역(디폴트 모드 네트워크) 간의 연결성을 나타낸다. 선의 색(청색 또는 적색)은 연결성의 가중치를 의미하는데 청색선의 경우 해당 연결성이 낮을수록 반추 경향이 높게 나타나며, 적색선의 경우 해당 연결성이 높을수록 반추 경향도 높게 나타난다. 선의 두께는 연결성의 세기를 나타낸다. 두께가 두꺼운 연결성의 경우 연결성의 변화 정도가 반추에 미치는 영향이 크다고 해석할 수 있으며, 두께가 얇은 경우 반대로 해석할 수 있다. 이러한 뇌 영역 간 연결성을 종합적으로 분석해 반추 경향을 예측할 수 있다.

■ 연구 추가 설명

논문/저널정보

A dorsomedial prefrontal cortex-based dynamic functional connectivity model of rumination. / Nature Communications (2023)https://doi.org/10.1038/s41467-023-39142-9

저자정보
Jungwoo Kim, Jessica R. Andrews-Hanna, Hedwig Eisenbarth, Byeol Kim Lux, Hong Ji Kim, Eunjin Lee, Martin A. Lindquist, Elizabeth A. Reynolds Losin, Tor D. Wager & Choong-Wan Woo

연구내용 보충설명

￭ 사람마다 반추 사고 경향은 다르게 나타난다. 이 반추 경향은 개인마다 고유한 뇌의 연결성 패턴과 관련되어 있을 것이라는 가설이 제기되어 왔지만, 이는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 
￭ 연구진은 건강한 사람들이 휴식하는 동안 얻은 기능자기공명영상(funtional MRI, fMRI) 데이터에 머신러닝을 통해 분석해 개인의 반추 경향을 예측하는 모델을 개발했다. 기존에 반추와 밀접하게 연관되었다고 알려진 디폴트 모드 네트워크(Default mode network) 영역 중 20개의 영역을 사용해 각 영역별 동적 연결성을 구하고, 그 각각을 머신러닝의 과정인 모델 개발(Training), 확인(Validation), 그리고 테스트(Testing) 과정을 거쳤다. 
￭ 머신러닝 과정을 거쳐 영역별 동적 연결성을 분석한 결과, 배내측 전전두피질(Dorsomedial prefrontal cortex)을 기준으로 한 동적 연결성만이 반추 특성을 파악하는 데 일반화 가능한(Generalizable) 마커로 밝혀졌다. 이 마커는 반추를 예측하는데 필요한 배내측 전전두피질과 다른 뇌 영역들 간의 연결성의 세기에 대한 정보를 포함하는데, 피험자들로부터 측정한 데이터에 그 마커의 정보를 대입하여 각 피험자의 반추 점수(경향)를 예측할 수 있다.

연구 이야기

￭ [연구 과정] 이번 연구는 공동저자인 미국 애리조나 대학의 제시카 앤드류스 하나(Jessica R. Andrews Hanna)가 제시한 디폴트 모드 네트워크와 반추의 연관성, 그리고 반추의 임상적 중요성에 주목하여 시작된 프로젝트다. 또한, 시간적 변화를 보이는 뇌의 동적 특징으로 ‘지속적인 고통’과 같은 인식 과정을 예측할 수 있음을 보여준 뇌과학 이미징 연구단의 기존 연구를 기반으로, 반추 경향을 예측할 수 있을지 탐구하고자 진행되었다.
￭ [어려웠던 점] 뇌의 연결성을 중심으로 만든 마커이다 보니, 연구에서 발견한 배내측 전전두피질과 연결성을 보였던 뇌의 다양한 영역들과의 연결성에 대한 해석에 많은 노력을 기울였다. 그 중에서도 반추를 예측하는데 중요했던 영역들에 대한 해석을 위해 정말 많은 참고 문헌들을 조사해야 했다. 그리고 어떤 데이터에는 마커가 유효하지 않은 경우도 있었는데, 이 마커가 유효한 조건들에 대한 탐색하는 것에도 상당 시간을 소요했었다.
￭ [성과 차별점] 반추 과정에서 디폴트 모드 네트워크의 중요성이 계속 보고되었으나, 디폴트 모드 네트워크 중에서도 어느 영역이 중요한지는 알 수 없었으며, 개인차까지 예측할 수 있는 모델은 없었다. 이번 연구는 이 두 가지에 대한 실마리를 제공해 과학적, 임상적 중요성을 가진다.
￭ [향후 연구계획] 개인차를 예측하는 모델을 넘어, 개인차에 기여하는 계산 프로세스에 대한 많은 관심을 가지고 있다. 이번 연구로 배내측 전전두피질과 다른 영역 간의 연결성이 중요하다는 것은 밝혔지만, 배내측 전전두피질 내 뉴런들 간의 어떤 프로세스를 통해 반추의 정도가 달라지는지는 알지 못한다. 이 계산 과정에 대해 수학적 관점, 동역학계(Dynamical systems)의 관점 설명하는 연구를 진행하려고 한다.

■ 연구진 이력사항

<우충완 뇌과학 이미징 연구단 부단장, 교신저자>

▲ 우충완 뇌과학 이미징 연구단 부단장, 교신저자

1. 인적사항
○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단
성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과
○ 전  화 : 031-299-4363
○ 이메일 : waniwoo@skku.edu

2. 학력
○ 2005  서울대학교 생명과학부 학사
○ 2007  서울대학교 심리학과 석사
○ 2016  University of Colorado Boulder 박사

3. 주요경력사항
○ 2007 ~ 2010  서울대학교병원 신경정신과 임상심리레지던트
○ 2016 ~ 2017  University of Colorado Boulder, Post Doc.
○ 2017-현재  성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과 조교수
○ 2017-현재  기초과학연구원 뇌과학이미징연구단 참여교수

4. 수상실적
○ 국가연구개발 우수성과 100선, 과기정통부
(2022)
○ 김찬학술상, 대한통증연구회 (2022)
○ 학술상 본상, 대한뇌기능매핑학회 (2021)
○ 김재일 소장학자 논문상, 한국심리학회 (2019)

<김정우 성균관대학교 바이오메디컬공학과 박사과정, 제1저자>

▲ 김정우 성균관대학교 바이오메디컬공학과 박사과정, 제1저자

1. 인적사항
○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과
○ e-mail : didch1789@gmail.com

2. 학력
○ 2018 학사, 연세대학교 시스템생물학과, 철학과 (부전공)

3. 경력사항
○ 2020 - 현재 성균관대학교 바이오메디컬공학과 대학원

 

 

출처 : 기초과학연구원