출처: https://medicalxpress.com/news/2017-12-brain-zap-saps-destructive-urges.html

A characteristic electrical-activity pattern in a key brain region predicts impulsive actions just before they occur. A brief electrical pulse at just the right time can prevent them, Stanford scientists have found.

Stanford University School of Medicine investigators have identified the smoking gun of a "moment of weakness": a signature pattern of electrical activity in a small, deep-brain region just a second or two before a burst of impulsive behavior.

뇌의 주요 부분에서 발생하는 특정 전기활동 패턴으로 충동적인 행동이 발생하기 직전에 이를 예측할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 스탠포드 연구진의 발견에 따르면, 올바른 시점에 짧은 전기 펄스를 가하면 충동적인 행동을 막을 수 있다고 한다( -_-).   

스탠포드대 의대 연구진은 뇌의 깊은 곳에 위치한 작은 구역이 충동적인 행위가 발생하기 1~2초 전에 특정한 전기활동 패턴을 보인다는 것을 밝혀냈다.

The Stanford scientists discovered similar patterns in mice that had learned to binge eat fatty food and in a human subject anticipating a large cash reward. The researchers also showed, in mice, that supplying a small electrical pulse to the brain region in question, called the nucleus accumbens, as soon as the electrical signature manifested prevented the mice from overindulging in fatty food, while not affecting their intake of normal food, their social behavior or other physical activity.

스탠포드 연구진은 유사한 패턴을 기름진 음식을 폭식하는 쥐 및 큰 금전적인 보상을 기대하는 인간에게서 발견하는데 성공했다. 또한 연구진은 중격의지핵에 특정 전기패턴이 발생할 때마다 작은 전기펄스를 가하면 쥐가 기름진 음식을 폭식하지 않도록 방지하는 동시에 정상적인 음식 섭취, 사회활동 및 기타 신체활동에는 영향을 끼치지 않는 것을 발견했다.

The findings were published online Dec.18 in the Proceedings of the National Academies of Sciences.

"We've identified a real-time biomarker for impulsive behavior," said Casey Halpern, MD, assistant professor of neurosurgery and the study's senior author. Postdoctoral scholar Hemmings Wu, Ph.D., and neurosurgery resident Kai Miller, MD, Ph.D., share lead authorship.

해당 발견은 12월 18일 국립과학원회보에 게재되었다.

"저희는 충동적인 행동과 연관된 실시간 생체표지자를 발견하였습니다"라고 이번 논문의 수석저자이자 신경외과 조교수인 케이시 할펀이 말했다. 후박사 과정을 밝고 있는 헤밍스 우 박사와 신경외과 레지던트 카이 밀러 박사도 공동 수석저자이다.

Good impulses gone bad

좋은 충동이 잘못되었어요

"Impulses are normal and absolutely necessary for survival," Halpern said. "They convert our feelings about what's rewarding into concrete action to obtain food, sex, sleep and defenses against rivals or predators."

But in some contexts, impulsive behavior can be pathological, manifesting as a marked tendency to make poor decisions and act on them. One need look no further than the recent rash of reports of sexual predators perched in powerful positions in Hollywood, the media, finance and politics to see examples of a fundamentally healthy drive—sexual appetite—taken to a pathological level.

"충동은 원래 정상적이며 절대적으로 생존에 필요한 요소입니다"라고 할펀은 말했다. "충동은 보상에 대한 인간의 감정을 구체적인 활동으로 변환시켜 음식, 성관계, 수면을 얻거나 적과 맹수들로부터 보호하는데 도움을 줍니다".

하지만 어떤 경우에는 충동적인 행동이 병적인 성격을 띄어 잘못된 결정을 내리고 이에 따라 행동하도록 만들 수 있다. 최근에 불거진 할리우드 / 언론계 / 금융계 / 정치계 유명인사들의 성추행 사건은 기본적으로 건강한 욕구인 성욕이 병적인 수준에 도달한 것의 좋은 예라고 할 수 있다.

The nucleus accumbens is the hub of the brain's reward circuitry, which evolution has engineered to reinforce survival-promoting actions by inducing pleasure in anticipation or performance of those actions. The study's findings offer the promise, Halpern said, of an implantable device that monitors the nucleus accumbens for the telltale signal preceding a burst of impulsivity and immediately delivers a measured dose of electricity. This intervention may prevent impulsive and sometimes life-threatening actions by high-risk people for whom all noninvasive therapies have failed.

중격의지핵은 뇌 보상회로의 중추부로, 진화 과정에서 생존에 도움이 되는 행동을 해당 행동에 참여 / 수행할 때마다 쾌락을 유발하여 강화하도록 설계되었다. 할펜의 설명에 따르면, 이번 연구결과는 중격의지핵에 충동적인 행위 직전 발생하는 전기신호를 감지하여 적절한 전기신호를 가하는 임플란트 개발을 가능케 할 것으로 기대된다. 이러한 간섭은 비침습적 치료가 효과를 발휘하지 않는 고위험 인간의 충동적인, 때로는 삶에 위협이 되는 행동을 예방하는데 도움이 될 것이다.

The findings could also lead to less invasive methods of countering obesity, substance-abuse disorders, pathological gambling, sexual addiction or intermittent explosive disorder, a psychiatric condition marked by impromptu outbursts of inappropriate ferocity.

"Imagine if you could predict and prevent a suicide attempt, a heroin injection, a burst of binge eating or alcohol intake, or a sudden bout of uncontrolled rage," said Halpern.

또한 해당 발견은 비만, 약물남용에 의한 장애, 병적인 도박, 성적 중독 또는 적절치 않은 흉포함이 즉흥적으로 방출되는 간헐적 폭발장애와 관련하여 상대적으로 비침습적인 대응방법을 물색하는데 도움을 줄 것이다.

"당신이 자살시도, 헤로인 복용, 폭식이나 폭음, 통제불가능한 분노의 분출을 미리 예측하여 방지할 수 있다고 생각해 보십시오"라고 할펜은 말했다.

Clinically, Halpern focuses on deep-brain stimulation, whereby devices deliver electrical pulses to targeted brain regions in which they've been implanted. DBS is now approved by the Food and Drug Administration for treating symptoms of Parkinson's disease and essential tremor, and is currently in clinical trials for depression, obsessive-compulsive disorder and multiple other disorders of the brain.

임상적으로 할펜은 장치를 사용하여 전기펄스를 특정 뇌 부분에 가하는 심뇌자극 기술이 초점을 맞추고 있다. 심뇌자극 기술은 현재 미 식품의약청이 파킨슨병 및 본태성진전을 치료하는데 사용하는 것을 승인한 상태이며, 이 외에도 우울증이나 강박장애 및 기타 뇌 장애 치료를 위한 각종 임상실험이 진행 중이다.

But the tens of thousands of DBS devices in current use are inflexible in the timing, duration and intensity of the pulses they deliver; they simply fire away on a preprogrammed basis, 24/7. New-generation devices can respond to feedback from the brain region they target, or even a distant one, so pulses get delivered only when necessary and at appropriate intensities. These so-called responsive neurostimulation devices have so far been approved for partial-onset epilepsy. Because they fire only after sensing specific electrical-activity signatures, they may actually deliver as little as five minutes per day of total stimulation, which neuroscientists such as Halpern view as greatly advantageous from the standpoint of avoiding side effects and optimizing the behavioral specificity of the treatment.

"There's no available responsive neurostimulation intervention for dangerous impulsive behavior yet, because until now no one's been able to document a characteristic signature in the brain that could be used for triggering pulse delivery by the device," he said.

하지만 오늘날 사용되고 있는 심뇌자극 장치들은 전기펄스를 가하는 시점, 시간 및 강도를 유연하게 조절할 수 없다. 해당 장치들은 그저 사전에 프로그램된 방식으로 24시간 7일 작동한다. 차세대 심뇌자극 장치들은 목표로 하는 뇌 부분 또는 멀리 떨어져 있는 뇌 부분에서 피드백을 얻어 필요한 때에 적절한 강도로 전기펄스를 가할 것이다. 이른바 반응성 신경자극기라 불리는 이 장치들은 아직 부분적 뇌전증에 대해서만 사용이 허가된 상태이다. 해당 장치들은 특정한 전기활동 신호를 탐지한 후에만 작동하므로, 하루종일 장치를 켜 놓아도 실제로 전기펄스가 가해지는 시간은 약 5분에 불과하다. 할펜과 같은 신경과학자들은 이것이 부작용을 방지하고 심뇌자극 치료의 행동특정성을 최적화하는데 큰 도움이 된다고 생각한다.

"위험한 충동행위에 대한 적응성 신경자극 간섭수단은 아직 존재하지 않습니다. 아직까지는 그 누구도 장치가 전기펄스를 가하는데 필요한 특정 신호를 발견해내지 못했기 때문이지요"라고 그는 말했다.

From mouse to man

쥐에서 인간으로

The Stanford scientists discovered this signature in experiments with mice. Typically, laboratory mice are fed pellets of a standard chow that's nutritious without being highly caloric. In the study, mice were given special high-fat food pellets for one hour every day for 10 days. During that hour, they were allowed to eat as much as they wanted.

The novel food took some getting used to, but by day 10 the mice became habituated to it and pretty much ate it nonstop. The researchers had implanted electrode arrays in the mice's brains in order to monitor electrical activity in the nucleus accumbens, where a pattern of heightened electrical activity—restricted to a particular low-frequency band called delta—emerged immediately prior to binge eating, peaking about one second before a mouse took a bite of the high-fat food pellet. Notably, this uptick didn't occur when that mouse was about to bite into standard lab chow. Nor was it seen in other typically rewarding activities, such as interactions with younger mice.

스탠포드 과학자들은 이러한 전기신호를 쥐에게서 발견했다. 일반적으로 실험용 쥐는 영양분이 충분하면서도 칼로리는 그렇게 높지 않은 표준 먹이를 먹는다. 이번 연구에서 실험용 쥐는 특별한 고지방 먹이를 10일에 걸쳐 매일 1시간 공급받았다. 해당 시간에 쥐는 자기가 먹고 싶은 만큼 먹이를 먹을 수 있었다.

비록 처음에는 새로운 먹이에 적응하는데 시간이 걸렸지만, 10일째가 되자 쥐는 고지방 먹이에 적응하여 거의 쉬지않고 먹어치웠다. 연구진은 일련의 전극을 쥐의 뇌에 이식하여 중격의지핵의 전기활동을 기록했고, 그 결과 중격의지핵에서 쥐가 폭식을 하기 전에 특정한 전기활동 패턴(델타라고 불리는 저주파수대였다)이 발생하는 것을 발견하는데 성공했다. 해당 패턴은 쥐가 고지방 먹이를 물어뜯기 1초 전에 최고치를 보였다. 흥미롭게도 해당 최고치는 쥐가 표준 먹이를 물어뜯기 직전에는 발생하지 않았다. 젋은 쥐들과의 상호작용과 같은 기타 일반적인 보상 활동에서도 이러한 현상은 일어나지 않았다.

Halpern and his colleagues then programmed their electrode arrays to deliver 10-second pulses of electrical current—the typical regimen in approved DBS therapies—to the nucleus accumbens whenever the arrays sensed a sizeable increase in delta intensity there. This substantially reduced the mice's high-fat binges. But it didn't affect their social lives, or their general physical behavior.

Further experiments compared responsive neurostimulation to standard DBS, random pulse delivery and manual delivery whenever an experimenter saw a mouse preparing to stuff itself. Both manual and responsive-neurostimulation pulse delivery proved superior to either random or DBS delivery, despite delivering far fewer electrical pulses daily than DBS.

이후에 할펜과 동료들은 쥐의 중격의지핵에서 델타파 강도가 크게 증가할 때마다 쥐의 뇌에 삽입된 전극이 10초 간격의 전기펄스 (심뇌자극 치료에서 승인된 일반 모드이다)를 중격의지핵에 가하도록  설정했다. 그러자 쥐의 고지방 모이 폭식이 눈에 띄게 감소하였으나, 사회활동이나 일반적인 신체행동에는 아무런 영향이 없었다.

나중에 수행된 일련의 실험에서 연구진은 반응성 신경자극기술과 일반적인 심뇌자극기술, 우연적인 전기펄스 주입과 수동 전기펄스 주입(쥐가 모이를 물어뜯으려 할 때마다 연구자가 전기플스를 가하는 식이다)을 비교분석했다. 비교분석 결과 수동 전기펄스 주입과 반응성 신경자극기술이 우연적인 전기펄스 주입 및 일반적인 심뇌자극기술보다 효과적임을 알 수 있었으며, 일반적인 심뇌자극기술보다 주입되는 전기펄스 양도 크게 줄일 수 있었다.

Next, the Stanford researchers took advantage of a rare opportunity to perform a similar experiment on a human subject: a patient with obsessive-compulsive disorder, a condition for which DBS to the nucleus accumbens is in clinical trials. This participant was resistant to all other treatments for his OCD and had opted for surgical implantation of a DBS device.

The investigators received the participant's consent to intervene briefly once electrical leads had been introduced to the participant's nucleus accumbens but prior to their hookup with the DBS pulse generator. In the interim, the participant was asked to perform computerized tasks that generated cash rewards if completed successfully. As with the mice, once the participant got acclimated to the near-certainty of receiving a reward upon completing the task, a receiver to which the implanted electrical leads were temporarily hooked was able to detect the characteristic "high-delta" electrical signature in his nucleus accumbens just before he commenced the tasks.

그 다음에 스탠포드 연구진은 인간을 대상으로 실험을 진행했다. 실험대상자는 강박장애 환자로 임상실험을 위해 심뇌자극 장치를 이식하기에 적합했다. 해당 실험대상자는 기타 치료법을 모두 시도하여 보았으나 수포로 돌아갔으며, 결국 심뇌자극 장치를 외과적으로 이식하는데 동의하였다.

연구진은 실험대상자의 중격의지핵에 전극을 삽입한 뒤, 전극을 심뇌자극 장치에 연결하기 전에 실험대상자로부터 간섭해도 좋다는 동의를 얻었다. 실험 중간중간마다 연구진은 실험대상자에게 성공할 경우 금전적 보상이 주어지는 과제를 수행할 것을 요청받았다. 쥐의 경우와 마찬가지로, 과제를 수행할 때마다 금전적 보상이 주어진다는 사실을 실험대상자가 익힌 뒤에는 그가 과제를 수행하기 바로 직전마다 전극이 연결된 수신기가 특징적인 고강도 델타파 전기신호를 실험대상자의 중격의지핵에서 감지하였다.

"The fact that we saw a similar signal prior to two different behaviors, both intended to obtain rewards—food in the case of mice, money in the case of the human subject—to which the individuals had become hypersensitized by their repeated exposure suggests that this signal may be common to many impulsive behaviors, making them amenable to treatment along similar lines," said Halpern.

Unlike newer parts of the brain, such as the cerebral cortex, the more deeply seated reward system's components have largely been conserved among vertebrates. So Halpern thinks the behavior-altering results his team observed in mice are likely to apply to humans, although further study will be needed to confirm these findings in a single human subject.

Halpern, Wu and study co-author Robert Malenka, MD, Ph.D., professor of psychiatry and behavioral sciences, are co-authors of a provisional patent filed by Stanford's Office of Technology Licensing on intellectual property associated with these findings.

실험체가 반복적인 노출로 인하여 과민화를 겪은, 보상 획득을 목적으로 하는 두 개의 서로 다른 행위(쥐의 경우 먹이, 인간의 경우 금전) 직전에 유사한 전기신호가 감지되었다는 사실은 대다수의 충동행위 간에 공통적으로 해당 신호가 발생하며, 유사한 치료방법을 적용할 수 있음을 의미합니다"라고 할펜은 말했다.

상대적으로 새로운 뇌 부분인 대뇌피질과 달리, 더 깊은 부분에 위치하고 있는 보상체계 요소들의 경우 모든 척추동물이 유사하다. 따라서 할펜은 연구진이 얻은 실험용 쥐의 행동변화는 인간에게도 일어날 가능성이 높다고 여긴다. 하지만 이를 확인하기 위해서는 후속 연구가 필요하다.

할펜과 우, 그리고 공동저자인 정신의학 및 행동과학 전공 로버트 말렌카 박사는 상기 언급한 연구결과와 관련한 지식재산에 대해 스탠포드기술사무소에 예비특허를 신청하였다.