기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 신희섭 단장 연구팀이 외상 후 스트레스 장애, 일명 트라우마를 치료하는 심리치료 요법의 효과를 세계 최초로 동물실험으로 입증하고 관련된 새로운 뇌 회로를 발견하였다.

과학기술정보통신부와 IBS는 이번 연구 성과가 네이처(Nature, IF 41.577) 誌 온라인 판에 2월 14일 새벽 3시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

연구진은 고통스러웠던 상황의 기억으로 인해 공포반응을 보이는 생쥐에게 좌우로 반복해서 움직이는 빛 자극(양측성 자극)을 주었을 때, 행동이 얼어붙는 공포반응이 빠르게 감소하는 것을 발견했다.
   * 안구운동 민감소실 및 재처리 요법(EMDR) : 외상 후 스트레스 장애 치료에 사용되는 심리치료 요법 중 하나. 환자가 공포기억을 회상하는 동안 눈동자를 좌우로 움직이게 만드는 시각적 운동을 동반해 정신적 외상을 치료한다.

시간이 지난 후나 다른 장소에서 비슷한 상황에 처할 경우에도 공포 반응이 재발하지 않는 것을 확인하였으며, 뇌 영역 중 공포기억과 반응에 관여하는 새로운 뇌 신경회로도 발견하였다.

행동/관찰 실험, 신경생리학 기법 등을 통해 공포반응 감소 효과는 시각적 자극을 받아들인 상구(안구운동과 주위집중 담당)에서 시작해 중앙 내측 시상핵(공포기억 억제 관여)을 거쳐 편도체(공포 반응 작용)에 도달하는 신경회로에 의해 조절된다는 사실을 확인하였다.
   * 상구→중앙 내측 시상핵→편도체로 이어지는 신경회로를 광유전학 기법으로 강화하자 공포반응 감소 효과가 강하게 나타나고, 반대로 억제하자 공포 반응 감소 효과가 사라졌다.

이번 연구는 경험적으로만 확인된 심리치료 기법 효과를 동물실험으로 입증함으로써 외상 후 스트레스 장애 치료법의 과학적 원리를 밝혔다는데 의의가 있다.

정신과에서 활용되는 심리치료법의 효과를 동물실험으로 재현한 것은 이번이 처음이다. 공포기억을 회상하는 동안 좌우로 움직이는 빛이나 소리 등이 반복되면 정신적 외상이 효과적으로 치료된다는 사실은 기존에도 보고된 바 있었으나 원리를 알 수 없어 도외시되는 경우가 있었다.

신희섭 IBS 연구단장은 “외상 후 스트레스 장애는 단 한 번의 트라우마로 발생하지만 약물과 심리치료에는 오랜 시간이 필요하다”며 “앞으로도 공포기억 억제 회로를 조절하는 약물이나 기술을 개발하는 연구에 집중해 외상 후 스트레스 장애를 쉽게 치료하는데 기여할 것”이라며 포부를 밝혔다.

□ 논문명, 저자정보
  - 논문명 : Neural circuits underlying a psychotherapeutic regimen for fear disorders
  - 저  자 : 백진희(공동 제1저자, IBS/KAIST), 이석찬(공동 제1저자, IBS), 조태섭(IBS), 김성욱(IBS), 김민수(IBS), 윤용우(IBS), 김고근(IBS), 변준원(IBS/UST), 김상정(SNU), 정재승(공동교신저자, KAIST), 신희섭(공동교신저자, 연구책임자, IBS)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 외상 후 스트레스 장애를 완벽하게 치료할 수 있는 약은 없다. 외상 후 스트레스 장애의 치료는 주로 항우울제 등이 활용된다. 하지만 증상이 흔하게 재발해 치료가 쉽지 않은 정신과 질병이다.
  ○ 외상 후 스트레스 치료에는 ‘안구운동 민감소실 및 재처리 요법’이라는 심리치료법도 사용된다. 이에 따르면 공포기억을 회상하면서 눈동자를 좌우로 움직이는 등 양측성 자극을 동시에 주면 정신적 외상을 효과적으로 치료할 수 있다. 하지만 양측성 자극이 어떻게 공포반응을 조절하는지는 그 원리는 밝혀지지 않았다. 과학적인 원리가 밝혀지지 않은 관계로 이 치료법을 도외시하는 정신과들이 많은 상황이었다.

 2. 연구 내용 
  ○ 연구진은 생쥐의 공포기억 반응-감소 모델에서 양측성 자극(좌우로 움직이는 빛)을 동시에 보여주자 생쥐의 공포반응이 더 빠르게 감소하며 이후 변화된 환경에서도 공포반응의 감소가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.
  ○ 기존에 안구운동, 주의집중 등 작업에 관여하는 것으로 알려진 뇌 영역인 상구는 공포기억 감소를 조절한다고 밝혀진 중앙 내측 시상핵과도 연결되어 있다. IBS 연구진은 양측성 자극의 효과가 이 두 뇌 영역의 사이의 활동의 증가로 인해 나타나는 것을 실험으로 확인하였다.
  ○ 연구진은 양측성 자극이 공포반응을 담당하는 편도체의 공포세포의 활동을 지속적으로 억제함을 관찰했다. 연구진은 이번 연구로 편도체를 억제할 수 있는 신경회로가 중앙 내측 시상핵에 존재하며, 해당 억제 회로가 강하게 활성화될 경우 공포반응 감소 효과가 나타나고 이에 관여한다는 사실을 밝혀냈다. 

3. 연구 성과
   ○ 이번 연구는 기존에 경험적으로만 효과가 확인된 심리치료 기법의 효과를 동물모델을 통해 입증하여 이를 이용하여 공포반응을 감소시킬 수 있는 신경회로를 새롭게 밝혀냈다는 데 과학적인 의의가 있다.
   ○ 안구운동 및 주의집중을 담당하는 뇌 영역이 공포기억 감소에도 관여한다는 사실을 제시했으며, 공포반응을 억제할 수 있는 새로운 뇌 회로를 발견하여 외상 후 스트레스 장애의 치료를 위한 새로운 방법을 제시하였다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 이 프로젝트를 시작했던 이석찬 박사(공동 제1저자)는 기존 논문에서 중앙 내측 시상핵의 신경활동이 공포기억 소거 과정에 관여한다는 사실을 밝힌 적이 있다. 이 중앙 내측 시상핵의 활동을 어느 뇌 영역이 조절할까 고민하던 때에 TV에서 안구운동 민감소실 및 재처리 요법을 이용하여 트라우마를 치료하는 장면을 보고 아이디어를 얻어 실험을 시작했다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 이번 성과가 특히 중요한 점은 정신과적인 심리치료법을 동물 모델에서 그 효과를 입증했다는 점이다. 세계 최초로 성공한 사례다. 또한, 치료법의 뇌 과학적 원리를 밝히는 과정에서 공포기억 조절 뇌 회로를 새로이 발견하는 중요한 성과를 이루었다. 

 동물모델에서 억제되었던 공포기억이 쉽게 되살아난다는 사실은 오래전부터 알려져 있었고, 이 때문에 외상 후 스트레스 장애 치료가 어렵다는 사실도 알고 있었다. 수많은 연구들이 이 문제를 해결할 수 있는 방법들을 제시했었고, 실제로 동물모델에서는 성공적으로 지속적으로 공포기억을 없앨 수 있었다. 하지만 그 과정에서 신경세포를 죽이거나 신경 연결을 없애는 등의 작용을 하는 화합물들을 사용하였기 때문에 이 방법들을 사람을 대상으로 적용할 수 없었다. 실제 치료에서는 심리치료기법이 주로 사용되어 왔는데 이 방법들은 반대로 동물모델에서 연구된 적이 없어서 어떤 원리로 치료가 이루어지는지가 알려지지 않았다. 이번 연구는 실제 치료에서 기법을 동물에서 적용하여 그 원리를 밝혔다는 데에 의의가 있고, 또 그 신경회로가 기존에는 알려지지 않았던 새로운 것이기 때문에 향후 공포기억 관련 연구들에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

 이번 연구에서 실제 치료법과 관련된 새로운 신경회로를 밝혔지만, 기존에 있는 기법의 기작을 밝힌 것이기 때문에 당장 외상 후 스트레스 장애 치료에 획기적인 개선이 이루어지지는 않을 것이다. 향후에 새롭게 밝힌 신경회로의 특성을 더 자세히 밝히는 등의 연구를 지속하여 실질적은 치료법의 개선에 도움이 되었으면 좋겠다.

[그림 1] 양측성 시각 자극을 사용한 공포기억 반응-감소의 효과

 실험모델인 생쥐에게 반복적으로 소리(CS)와 전기자극을 함께 주면 공포기억이 형성된다. 전통적인 공포기억 반응-감소 과정에서는 전기자극 없이 소리를 반복해 공포반응을 서서히 감소시킨다(위; 적색 CS 그룹). 1주일이 지난 후, 공포기억 반응-감소가 이루어졌던 같은 장소에서(SR), 혹은 다른 환경에서 공포기억을 유도할 수 있는 소리를 다시 틀면 즉각 공포반응이 재발한다(아래; 적색 CS 그룹).
 이번 실험에서는 공포기억 반응-감소 과정에서 양측성 빛 자극을 함께 주는 경우, 공포기억 반응 감소 효과가 더 빠르게 이루어지며(위; 청색 ABS+CS 그룹), 공포반응 재발이 나타나지 않는다(아래; 청색 ABS+CS 그룹)는 사실을 확인했다.

[그림 2] 상구에서 중앙 내측 시상핵으로 이어지는 새로운 신경회로

 연구진은 광유전학 기법을 이용해 새로운 신경회로를 발견했다. 양측성 자극을 이용한 방식으로 공포기억 반응-감소 효과를 일으키고, 동시에 상구에서 중앙 내측 시상핵으로 가는 신경 신호를 전달을 억제하자 공포반응이 재발했다(위). 또한 양측성 자극 없이 광유전학으로 상구에서 중앙 내측 시상핵으로 이어진 신경회로를 자극하자 공포반응이 오랫동안 억제되었다(아래).
 광유전학을 이용한 실험을 통해 연구진은 상구에서 중앙 내측 시상핵으로 이어지는 신경회로의 활동이 양측성 자극의 효과를 매개함을 확인했다.

[그림 3] 편도체의 공포반응 감소에 관여하는 중앙 내측 시상핵

 양측성 자극을 이용해 공포기억 반응-감소 효과를 유발하면서 동시에 중앙 내측 시상핵에서 편도체로 이어지는 신경 신호 전달을 광유전학으로 억제하자 공포반응이 재발했다(위).
 편도체의 신경 활동을 전극으로 측정한 실험에서 양측성 자극이 편도체의 공포 반응을 억제하는 것을 확인하였다(왼쪽 아래). 또한 중앙 내측 시상핵은 편도체로 흥분성 신경신호 그리고 왕복하는 신호를 지닌 억제성 신경신호를 동시에 전달하는 것으로 나타났다. 연구진은 양측성 자극을 이용한 공포기억 반응-감소는 억제성 신경신호 전달을 증가시킨다는 사실을 확인했는데, 해당 신경회로는 이번 연구로 처음 밝혀졌다(오른쪽 아래).

[그림 4] 양측성 자극을 사용한 공포기억 반응-감소의 원리

 기존의 공포기억 반응-감소 모델에서는 안전한 환경에서 공포기억을 유도하는 조건 자극(CS, 소리)을 반복적으로 제시하여 공포기억을 억제하는 새로운 기억을 형성한다(왼쪽 위). 하지만 시간이 지나거나 변화된 환경에 놓이면 공포반응이 쉽게 재발해 버린다(오른쪽 위).
 반면 양측성 시각자극(ABS)을 이용한 공포기억 반응-감소 모델에서는 양측성 자극이 안구운동 및 주의집중을 담당하는 뇌 영역(상구)을 자극해 공포반응을 담당하는 편도체를 억제하는 새로운 신경회로가 활성화 된다(왼쪽 아래). 이 회로는 변화된 환경에서도 안정적으로 편도체를 억제하여 공포반응의 재발을 줄이고 더 효과적인 정신적 외상 치료를 유도한다(오른쪽 아래).