시각자극으로 유발된 성적흥분과 관련된 뇌기능영상의 정성 및 정량분석 : 기능적 자기공명영상법 = Qualitative and quantitative measurement of human brain activity associated with visually evoked sexual arousal : functional MR imaging

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 3.0 Tesla 기능적 자기공명영상장치를 이용하여 시각자극으로 유발된 성적흥분과 관련된 대뇌중추의 활성화 영역을 확인하고, 아울러 각 영역별 활성화도의 정량적인 분석을 통해서 남녀간의 성적흥분에 따른 대뇌의 신경해부학적인 기전을 규명하고자 하였다.
건강한 오른손잡이 남자 14명(21-28세: 평균 24세)과 여자 10명(20-28세: 평균 23세)을 대상으로 3.0 Tesla Forte MR Scanner(Isole technology, Korea)를 이용하여 기능적 자기공명영상법을 실시하였다. 대뇌의 활성화를 유도하기 위한 파라다임으로는 1분간의 휴지지, 3분간의 성인용 영화에 의한 시각자극, 다시 1분간의 휴지기로 구성하였다. 이때 AC-PC line을 기준으로 하여 20개의 횡단면으로부터 총 2,100개의 MR영상을 획득한 후 SPM99 프로그램을 이용하여 활성화 영상을 얻었다. 피검자 개인별 활성화 영상은 남자와 여자 그리고 남녀의 평균 활성화 영상으로 나타내어 그룹분석을 하였다. 또한 활성화 영상을 해부학적, 기능학적인 영역별로 분류하여 대뇌 각 부위별 피험자의 활성화율(activation ratio), 활성화도(activity) 및 좌·우반구 우세도를 분석하기 위하여 FALBA 프로그램을 이용하였다. 실험 후 참가자들에게 실험 중 보았던 성인용 영화에 대한 주관적인 성적흥분도와 발기도를 설문하여 각자 평가하도록 하였다.
정상인 남녀 모두를 대상으로 시각자극에 의한 성적흥분과 관련된 대지중추는 대뇌신피질 영역에서는 후두엽의 하후두회, 두정엽의 상두정회, 중심후회, 하두정회, 측두엽의 중측두회, 하측두회 그리고 전두엽의 중심전회, 하전두회, 상전두회, 중전두회 이었으며 변연계의 경우 변연엽의 해마방회, 중격부, 대상회 그리고 간뇌의 시상에서 유의한 수준(P＜0.05)으로 활성화가 관찰되었다. 한편 간뇌의 시상하부와 변연엽의 중격부는 낮은 활성화율에도 불구하고 높은 활성화도를 나타낸 반면 기저핵의 피각과 뇌섬엽 그리고 대뇌백질부인 뇌량은 높은 활성화율에도 불구하고 활성화도는 낮게 나타났다. 3.0T 고자장 MRI를 이용한 본 연구에서는 기존의 1.5T MRI 연구에서 관찰되지 않았던 해마방회, 해마 그리고 중격부에서도 활성화를 관찰할 수 있었다. 좌·우반구 우세도 판별치 경우, 대뇌 신피질은 전반적으로 우반구 우세, 변연계는 좌반구 우세를 보였다.
남녀간의 성적흥분과 관련된 대뇌중추 활성화의 차이점은 대뇌신피질의 경우 남자에서만 유의하게 나타난 부위는 후두엽의 하후두회, 두정엽의 설전부, 상연회 이었으며 여자에서는 후두엽의 중후두회, 상후두회 그리고 진두엽의 보조운동 영역이었다. 한편 변연계의 경우 남자에서만 유의하게 나타난 부위는 간뇌의 시상하부이었으며 여자의 경우는 변연엽의 대상회, 기저핵의 미상핵, 뇌섬엽 그리고 대뇌백질부의 뇌량이었다. 좌·우반구 우세도는 신피질의 경우 남녀 모두 우반구 우세를 보였으나 남자가 2배 이상의 높은 우반구 우세도를 보였다. 반면에 변연계에서는 남녀모두 좌반구 우세를 보였으나 남자가 3배 이상의 자반구 우세도를 나타났다.
대뇌의 활성화에 대한 정성, 정량분석 자료를 기초로 하여 성적흥분과 관련된 신경해부학적 기전을 예측해보면 다음과 같다. 첫 번째 신경통로는 시각정보가 시상을 거쳐 편도핵에 전달되면 시상하부에 명령하여 성적행동을 조절하는 자율 신경계가 즉각 반응하게 되고 이때 고조된 성적흥분 감정은 대상회를 거치 전두엽에 전달되어 즐거움과 쾌락을 느끼게 된다. 두 번째 신경통로는 과거 경험에 없는 새로운 자극 또는, 과거 경험에서 중요했던 자극은 해마형성체, 유두체, 시상전핵로, 대상회를 거쳐 유두체에 이르는 Papez 회로를 따라 새로운 기억에 저장되거나 과거의 기억을 더하여 다시 편도체로 전달되는 과정으로 예측할 수 있었다.
본 연구에서는 고자장 기능적 자기공명영상장치를 이용하여 성적흥분과 관련된 대뇌중추의 신경해부학적인 영역과 남녀간의 차이점을 정성, 정량적인 분석을 통하여 밝혀낼 수 있었다는 점에서 큰 의의를 찾을 수 있으며, 향후 시간경과에 따른 황성화의 추적과 촉각, 후각 등의 다양한 자극에 의한 연구들이 병행된다면 발개부전이나 성기능 감퇴 등의 성적인 기능을 진단할 수 있는 보다 객관적이고 정형화할 수 있는 새로운 영상진단방법을 개발할 수 있을 것으로 생각된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This present study utilized a 3.0 Tesla functional MR imaging to identify and quantify the activated brain legions associated with visually evoked sexual arousal, to discriminate the gender differences between neural activation patterns in response to sexual stimuli, and further to investigate the neural pathway related to sexual arousal.
A total of 24 healthy right-handed volunteers consisting of 14 males (mean age: 24) and 10 females(mean age: 23) with normal heterosexual function underwent functional MRI on a 3.0T MR scanner(F()rte, Isole technique, Korea). Sexual stimulation paradigm began with a 1-minute rest with black screen, a 3-minute stimulation by an erotic video film, and a 1-minute rest. The fMRl data was obtained from 20 slices(5mm slice thickness, no gap) parallel to the AC-PC(anterior commissure and posterior commissure) line on sagittal plane, giving 2,100 images. The brain activation maps and their resulting quantification wert analyzed by the statistical parametric mapping(SPM 99) program. The mean-activated images were obtained from a total of the individual activation maps using one sample t-test. The FALBA program, which adopted a new algorithm based on pixel differentiation method, was used to identify and quantify the brain activation and lateralization indices with respect to the functional and anatomical terms.
In both male and female volunteers, significant brain activation shows in the neocortex region consisting of the inferior occipital gyrus, superior parietal gyrus, postcentral gyrus, inferior parietal gyrus, middle temporal gyrus, inferior temporal gyrus, precentral gyrus, inferior frontal gyrus, superior frontal gyrus, and middle frontal gyrus, as well as in the limbic system including parahippocampal gyrus, septal area, cingulate gyrus and thalamus. It is interesting that the hypothalamus and septal areas gave relatively lower activation ratio with high brain activities; on the contrary, the putamen, insula cortex, and corpus callosum gave higher activation ratio with low brain activities. In particular, brain activation in parahippocampal gyrus, hippocampus and septal area, which were not reported in the previous fMRl studies under 1.5 Tesla, represents a distinct finding of this study using 3.0T MR scanner. Overall lateralization index of activation shows right predominance(LI=-19.6%) in the neocortex and left(LI=35.3%) in limbic system during sexual stimulation.
The gender differences of brain activation in response to sexual arousal were characterized as follows: the activation areas observed in male were inferior occipital gyrus, precuneus, and supramarginal gyrus in the neocortical region, and hypothalamus in the limbic system; while in female, middle occipital gyrus, superior occipital gyrus and supplementary motor area in the cortical region, and cingulate gyrus, head of caudate nucleus, insula and corpus callosum in the limbic system. These findings roveel dissimilarities between male and female in neuronal responses to sexual arousal. As for overall lateralization index of brain activation, male volunteer gave greater lateralization index in both the neocortex and limbic system by 200% and 300%, respectively, as comparison with female.
Taking all of these findings into consideration, we now have a fairly detailed understanding of the neural mechanism consisting of two neural pathways that are related with sexual arousal in both male and female. First step, which is related to general processing of sexual arousal, is assumed to be as follows: visual sexual stimulation→optic nerve→thalamus→primary visual cortex(inferior occipital gyrus), visual association area(middle/inferior temporal gyri), primary/secondary somatosensory area(postcentral gyrus, superior/inferior parietal gyri)→parabippocampal gyrus→hippocampus→amygdala→＜septal area-thalamus-hypothalamus＞→anterior cingulate gyrus→basal ganglia→inferior frontal gyrus, insula cortex→premotor area(precentral gyrus), supplementary motor area, prefrontal cortex(superior/middle frontal gyri). Second step is closely connected with the extended Papez circuit, which is related emotional processing of sexual arousal: emotional/cognitive input signal from hippocampus, thalamus, occipitotemporal cortex→amygdala→hippocampus→hypothalamus, thalamus→anterior cingulate gyrus, prefrontal (superior/middle frontal gyrus)→amygdala.
It is concluded that our findings confirm gender differences in response to sexual stimulation as well as neuroanatomical regions associated with visually evoked sexual arousal. Futhermore, time-course information of additional activation patterns such as tactile and olfactory stimuli might be very helpful to assess the neurophysiological mechanism on sexual arousal and to develop a new diagnostic tool for sexual dysfunction and disorder as well.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• (초록) = 1
• 1. 서론 = 4
• 2. 실험 대상 및 방법 = 9
• 가. 실험대상 = 9
• 나. 자기공명영상법 = 9
• 다. 기능적 자기공명영상법 = 9
• 라. 영상의 후처리 및 분석방법 = 10
• 1) 개인별 활성화 영상 = 10
• 2) 평균 활성화 영상 = 10
• 3) 해부학적, 기능학적 영역별 활성화도 계산 = 11
• 4) 좌ㆍ우반구 우세도의 계산 = 12
• 3. 결과 = 16
• 가. FALBA를 이용한 대뇌중추의 부피계산 = 16
• 1) 해부학적 영역의 측정 = 16
• 2) 기능학적 영역의 측정 = 16
• 나. 시각자극에 의한 대뇌중추의 활성화 = 17
• 1) 활성화율(%, 피검자수 기준) = 17
• 2) 활성화도(%, 화소수 기준) = 18
• 3) 좌ㆍ우반구 우세도(%, 좌반구 기준) = 19
• 4) 대뇌 해부학적 부위 및 기능학적 영역의 비교 = 20
• 다. 남ㆍ여간의 시각자극에 의한 활성화의 비교 = 21
• 1) 활성화율(%, 피검자수 기준) = 21
• 2) 활성화도(%, 화소수 기준) = 22
• 3) 좌ㆍ우반구 우세도(%, 좌반구 기 준) = 24
• 4) 대뇌 해부학적 부위 및 기능학적 영역의 비교 = 25
• 4. 고찰 = 44
• 5. 결론 = 54
• 참고문헌 = 56
• (Abstract) = 65