[번역] Neural correlates of consciousness (5)
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해당 논문은
[Koch C, Massimini M, Boly M, Tononi G. Neural correlates of consciousness: progress and problems. Nature Reviews Neuroscience. 2016 May;17(5):307-21.]
하단 figure는 FIG. 3.
[Neuroanatomy]
Cell-type specificity
크고 복잡한 뇌구조를 가지고 있는 종들에서의 frontal lobe의 layer 5 층에 위치하는 특정한 cortical 신경세포들이 (예를 들어 spindle 신경세포와 같은) 의식의 일부분에 관여하는 가에 대한 의문은 중요하다. 고양이에서의 auto-radiographic 연구의 결과는 낮은 파장의 수면 상태에서 시각 cortex의 intragranular layer의 감소된 활성을 보여준다. 여러 종의 layer 5B에서 관찰되는 크고 두꺼운 pyramidal 신경세포들은 상위 레벨의 cortical 영역에서의 큰 정보량을 잘 받아들이고 그것을 종합, 처리할 수 있다. 그러나, 이런 신경세포들은 subcortical 구조에 주로 project하며 cortex 내부로의 제한된 연결성은 이들 세포가 무의식적인 기능이나 행동을 나타내는 cortico-subcortico-cortical 연결고리의 신호 실행에 좀 더 적합한 기능을 가지는 것으로 보인다. 대조적으로, 5A에 위치하는 상대적으로 얇은 pyramidal 신경세포들은 주로 cortico-cortical 연결에 집중되어 있는 것으로 보인다.
Supragranular pyramidal 신경세포들은 layer 5A 신경세포들보다 좀 더 밀집되게 연결되어 있다. 이들 세포는 infragranular 층의 세포보다 더 크게 지정학적인 정확도의 신경전달을 보이며 feedforward와 feedback 양측 방향성의 projection을 가진다. Supragranular pyramidal 신경세포의 위측 dendrites는 thalamic matrix 세포에 project되어 있으며 feedback 연결의 타겟이기도 하다. 추가적으로, infra- 및 supragranular layer들은 서로 연결이 되어 있으나, 수면이나 의도적인 프로세스 행위로 인하여 연결이 풀리기도 한다. 기능적으로, supragranular cortex의 흥분성 신경세포들은 infragranular 신경세포보다 더 큰 신경 전달 및 신호 방출을 보인다. 정보의 종합에 상응하는 네트워크의 흥분성을 반영하는 자발적 신경세포 환성의 시공간적 패턴을 나타내는 것은 supragranular layer에서만 관측된다. 의식적인 감각 지각은 여러 동물 종에서, supragranular layer의 신경 활성과 연관된다. 예를 들어, supragranular layer에서 시작되는 negative slow potential은 역치에 가까운 자극이 지각되었을 때만 자극의 시작과 그에 따른 행동적 반응 사이에서 관측된다. Propofol 마취하에서, 이러한 slow cortical pontential에서의 late negative shift는 사라지지만, early positive 부분은 남아있다. 다른 예로서, 깨어있는 상태의 원숭이의 somatosensory cortex에서는, supragranular layer의 흥분성 input에 의하여 의식적 감지와 N1 ERP (event-related potential)의 크기 및 latency와 연관성이 나타난다. 주목할 점은, N1은 낮은 파장의 수면이나 마취하에서 사라지게 된다.
[Neurophysiology]
Gamma synchrony
언제 NCC가 시작되는지에 대한 구조적인 접근이 시작되었을 때, 마취하 및 깨어있는 고양이에서, 두 개의 움직이는 시각 자극에 대한 시각 cortex에서 synchronizing된 신경 신호 방출이 low gamma range (30 - 70 Hz)로 나타나는 것이 발견되었던 것은 매우 고무적인 일이었다. 이 발견은 의식은 gamma range의 리듬적인 신호 방출을 통한 신경세포의 synchronization이 필요하다는 가설을 만들게 되었다. 그리고 이것은 단일 경험 안에서 여러 가지 자극 특징들의 종합으로 나타나는 것이라고 생각되었다 (FIG. 3a-c).
고양이의 시각 cortex 연구에서, 자극에 대응하는 gamma range의 synchronization은 집중이나 또는 reticular formation의 자극에 의해서 가속화되었다. Binocular rivalry 중의 gamma synchrony는 지각의 우위성을 반영하나 신경의 firing rate는 변화가 없었다. 사람 대상의 EEG와 magnetoencephalography 연구들은 긴 gamma synchrony가 시각 의식과 연관되는 점들을 시사하였다.
그러나, 이런 유형의 많은 연구들은 선택적 집중으로부터 의식적인 가시화를 분리시키지는 않았다. 만약 이러한 분리가 이루어진다면, high-range gamma synchronization은 피관찰자가 자극을 보는 것과는 독립적으로 집중에 연관이 되며, mid-range gamma synchronization은 자극의 가시화와 연관성을 나타낸다. Gamma synchrony는 이른 NREM 수면이나 마취하 또는 간질 경련 중에서도 존재하거나 증가됨을 보이며 무의식적 감정 반응을 이끌어 내는 자극에 노출된 경우에도 관측된다. 이것은 의식이 없어진 상황에도 gamma synchronization이 나타난다는 것을 시사한다. 사람의 시각 cortex에 대한 electrocorticography 연구에서는 좁은 밴드의 gamma wave 동기화가 몇몇의 공간적 패턴 (예를 들어 luminance grating)에 의해서는 나타나지만 다른 소리 패턴이나 자연 이미지에 의해서는 나타나지 않았다. 이러한 점들은 gamma band의 동기화가 보는 것에 대해서 필수 요소는 아니라는 결론을 이끌어 낸다.
P3b
의식의 마커로서의 또 다른 전기생리학적 후보는 P3b라고 불리는 시각이나 소리 자극으로부터 나타나는 늦은 (자극으로부터 >300 ms) 그리고 positive, fronto-parietal ERP이다. P3b는 50여 년 전에 처음 보고되었다. Content-specific, task-based paradigm (예를 들어, masking, 의도적 blink와 자극 강도의 조절 등)을 사용한 연구들은 P3b 부분이 자극 감지의 주관적인 report와 강한 연관성을 보고하였다. 따라서, auditory oddbal paradigm을 사용하여 특정한 P3b는 의식의 시그니처로서 제안되었고 이는 fronto-parietal 영역이 관여된 네트워크를 통한 뇌 활성의 비선형적 증폭 (ignition이라고 언급되는)으로서 다루어졌다.
그러나, 이러한 해석은 다른 실험적 결과들과 모순되는 점들이 있다. 예를 들어, task와 관계없는 자극은 피관찰자들이 분명한 의식이 있음에도 P3b를 보이지 않았고, 반면 자극들이 의식적으로 감지가 되지 않는 경우에서는 P3b가 나타나는 경우가 있었다. 피관찰자들이 working memory로 자극에 대한 정보를 가지고 있을 때는 P3b는 의식 지각의 시그널을 보내지 않았다. Between-state paradigm에서의 결과 역시 P3b ignition이 믿을 만한 의식의 시그니처라는 것에 대한 의심을 불러일으켰는데 청각 조절의 gloval violation은 의식이 불분명한 식물인간 상태와 최소한의 의식이 있는 환자들 간의 구별이 P3b로 가능하지 않다는 것을 보였기 때문이다. 사실, 뇌 손상을 입었으나 의식은 있는 많은 환자들에서 P3b는 보이지 않으며 최소한의 의식이 있는 환자들에서 낮은 snesitivity를 나타낸다. 다각도로 P3b 시그널을 decoding하는 것은 청각 조절에 대한 global violation의 sensitivity를 증가시킬 수 있는데 이러한 분석 방법을 적용하여도 40%의 혼수 (coma) 상태의 환자들에서 P3b-like 부분을 찾을 수 있었다. 그러므로, P3b는 의식의 마커는 아닌 것 같다. 이보다는, 시각 인식 negativity, 즉 자극 시작 후 100 ms 일찍 시작하여 약 200-250 ms에 정점에 이르는 posterior cortex에 국한된 ERP defelction이 의식적 인식과 더 나은 상관관계가 있을 수 있다.
Activated EEG
깨어 있는 상태에서 EEG recording을 하였을 때 관측되는 low-voltage fast acitivty는 활성화 또는 desynchronized EEG로 알려져 있는데 이 역시 의식의 전기생리학적 마커로서 다루어지며 현재까지 가장 sensitive하고 쓸모 있는 마커로서 사용된다. 지난 30년 동안 고양이에서 cortical과 thalamic 신경세포들의 세포내 recording을 통한 실험 결과들은 깨어 있을 때의 low-voltage fast activity가 slow wave 수면이나 마취하에서 있을 때 관찰되는 high-voltage slow activity로 전환되는 것을 보여줬다. Thalamic 신경세포들이 과분극이 되면 tonic 상태에서 firing 모드로 바뀌며 이는 EEG에서 spindle (12-14 Hz)과 theta (5-8 Hz)의 synchronization을 보이게 된다. Cortical 신경세포들이 매 초마다 up-state 탈분극과 down-state 과분극 사이에서 synchronizing의 변화를 보이기 시작할 때 delta range ( < 4 Hz; slow wave)의 큰 동기화를 보인다 (FIG. 3g). 이러한 생리학적 이벤트의 시퀀스는 생리적, 약물적 그리고 병리적 조건들 하에서 일어나는 의식의 소실과 연관이 된다. 일반적으로 slow wave는 subcortical activating system의 firing rate 감소나 thalamus의 globus pallidus에 의한 과도한 억제 또는 혼수 상태 환자에서 흔히 볼 수 있는 cortical deafferentation으로부터 시작될 수 있다.
EEG로 발견되는 반복적이로 높은 amplitute의 slow wave (>75 uV)는 사람에서 의식의 소실을 측정하는 유용한 방법이며 다른 방법들보다 좋다. 예를 들어, 깊은 잠을 잘 때 slow wave는 두드러지며 이때 피관찰자을 깨우면 그들은 아무것도 경험하지 못하였다고 한다. 비슷하게, slow wave의 급작스러운 증가는 propofol을 사용한 마취하에서 의식의 소실과 함께 관찰된다. 임상적인 관점에서, delta wave에서 theta를 통하여 alpha range 로의 패턴 변화는 식물인간 상태 또는 혼수 상태에서 최소한의 의식이 있는, 행동학적으로 의식이 있는 단계로의 변화와 연관된다.
그럼에도, global EEG 패턴을 베이스로 한 무의식에서 의식을 구별하려는 시도는 언제나 믿을 수 있는 것은 아니다. 예를 들어, widespread alpha 리듬은 심한 post-anoxic coma 상태의 환자에서 보이기도 한다. 반대로, 어떤 희귀한 예의 간질 발작 중에서 비록 환자는 의식이 있는 사람이지만 지속되는 긴 slow wave가 나타나기도 한다. 이러한 환자들에서 slow wave 활성은 특별한 cortical 영역만이 관여되고 있다. 잠을 잘 때 두피에서 잰 EEG는 slow wave를 보이지만, intracranial 전기 recording은 안쪽의 몇몇 cortical 영역들은 여전히 활성상태라는 것을 보여주기도 한다.
소스 모델링은 피관찰자들이 slow wave인 꿈에서, 시각적으로 경험하는 꿈에서, 깨어날 때 다른 cortical 영역들은 low-frequency 활성을 보이지만, parieto-occipital 영역의 EEG가 국소적으로 활성화되는 것을 보여준다. 따라서, 의식에 대해 전체적이 아니라, 일정 부분의 특히 posterior cortical hot zone에서 EEG 활성화가 중요하다는 것을 말해준다.
