[우울증 대안치료 로드맵 3편] Deep TMS는 뇌에 어떻게 작용할까? 자기장과 신경회로 자극의 원리

Deep TMS라는 이름만 들으면 강한 자기장이 뇌를 직접 변화시키는 치료처럼 생각하기 쉽습니다. 하지만 기본 원리는 조금 다릅니다. 코일에서 만들어진 빠르게 변하는 자기장이 머리 조직을 통과하면서 뇌 안에 전기장을 유도하고, 이 전기장이 신경세포의 전기적 활동에 영향을 줍니다.

따라서 Deep TMS는 단순히 ‘자석으로 뇌를 자극하는 방식’이라기보다 전자기 유도를 이용해 뇌의 신경세포와 연결된 신경회로의 활동에 영향을 주는 비침습적 뇌 자극 방식으로 이해하는 것이 적절합니다.

Deep TMS의 출발점은 빠르게 변하는 자기장입니다

Deep TMS의 기본적인 물리 원리는 전자기 유도입니다.

코일에 매우 짧고 빠르게 변하는 전류가 흐르면 주변에 시간에 따라 변화하는 자기장이 만들어집니다. 이 자기장은 두피와 두개골을 지나 뇌 조직까지 전달될 수 있습니다.

변화하는 자기장이 뇌 조직을 통과하면 그 안에 전기장이 유도됩니다. 신경세포의 전기적 활동에 영향을 주는 과정은 이 유도된 전기장에서 시작됩니다.

Deep TMS의 기본 흐름은 다음과 같이 이해할 수 있습니다.

코일의 전류 변화 → 자기장 생성 → 뇌 안의 전기장 유도 → 신경세포의 전기적 활동 변화

이러한 전자기 유도의 기본 원리는 일반적인 TMS와 Deep TMS가 공유합니다. 차이는 자기장을 만드는 코일 구조와 그 결과 뇌 안에 형성되는 전기장의 공간적 분포에서 나타납니다.

유도된 전기장은 신경세포의 전기적 활동에 영향을 줍니다

뇌 안에 만들어진 유도 전기장은 신경세포의 막전위와 전기적 활동에 영향을 줄 수 있습니다.

다만 전기장이 주변의 모든 신경세포를 똑같이 자극하는 것은 아닙니다. 신경세포의 구조와 축삭의 방향, 전기장이 형성되는 위치와 방향 등에 따라 실제 자극 반응은 달라질 수 있습니다.

특정 조건에서는 전기장이 축삭의 막전위를 변화시키고 탈분극과 활동전위 발생으로 이어질 수 있습니다. 이렇게 만들어진 신경 신호는 다시 주변 신경세포와 연결된 회로의 활동에도 영향을 줄 수 있습니다.

이 과정에는 흥분성 신경회로와 억제성 신경회로가 함께 관여합니다. 따라서 Deep TMS를 단순히 뇌 활동을 ‘켜는’ 방식이라고 설명하기보다 신경세포와 신경회로의 활동에 변화를 주는 신경조절 방식으로 이해하는 편이 더 정확합니다.

반복 자극은 연결된 신경회로에도 영향을 줄 수 있습니다

한 번의 자기 자극은 매우 짧은 시간 동안 신경세포의 전기적 활동에 변화를 줄 수 있습니다. 반복적 자기자극에서는 이러한 자극을 일정한 패턴으로 여러 차례 전달합니다.

반복 자극은 개별 신경세포의 순간적인 반응에만 머무르지 않고 국소 신경회로의 흥분성과 억제 작용, 시냅스 전달과 회로 사이의 신호 전달에 영향을 줄 가능성이 연구되고 있습니다.

한 영역에서 시작된 신경 신호는 주변 회로로 전달될 수 있으며, 해부학적·기능적으로 연결된 다른 뇌 영역의 활동에도 영향을 미칠 수 있습니다. 이 때문에 TMS의 작용을 코일 바로 아래에 있는 작은 영역만의 변화로 설명하기는 어렵습니다.

다만 반복 자극이 장기간의 신경가소성 변화로 이어지는 세포·분자 수준의 과정이 모두 밝혀진 것은 아닙니다. 기본적인 자극 원리는 알려져 있지만, 장기적인 변화가 만들어지는 세부 과정은 계속 연구되고 있습니다.

H-코일은 전기장의 범위와 분포를 다르게 만듭니다

Deep TMS와 일반적인 TMS는 같은 전자기 유도 원리를 사용하지만 코일 구조에는 차이가 있습니다.

일반적인 TMS에서 많이 사용하는 8자형 코일은 비교적 국소적인 피질 영역에 전기장을 집중시키는 특성이 있습니다. Deep TMS에 사용되는 H-코일은 여러 코일 요소의 배열을 이용해 이와 다른 공간적 전기장 분포를 형성하도록 설계됩니다.

코일 설계를 비교한 연구에서는 TMS 코일의 구조에 따라 전기장이 도달하는 깊이와 퍼지는 범위가 달라질 수 있는 것으로 나타났습니다. H-코일 역시 8자형 코일과 비교해 보다 넓은 전기장 분포를 만들고, 깊이에 따라 전기장이 감소하는 양상에도 차이가 있을 수 있습니다.

하지만 ‘더 깊게 도달한다’는 표현을 곧바로 ‘더 강하다’거나 ‘더 좋은 치료다’라는 의미로 연결해서는 안 됩니다. TMS 코일에는 전기장이 깊이 도달하는 정도와 자극의 집중도 사이에 상충 관계가 있기 때문입니다. 코일 비교 연구에서도 깊은 전기장 분포를 얻을수록 자극 범위가 넓어지는 경향이 확인됩니다.

또한 실제 뇌 안에 만들어지는 전기장은 두피와 두개골, 뇌척수액과 뇌 조직의 구조, 개인별 해부학적 차이와 자극 방향 등에 영향을 받습니다.

따라서 Deep TMS의 ‘Deep’은 단순히 자극 세기를 높인다는 의미보다 H-코일을 이용해 일반적인 8자형 코일과 다른 깊이와 범위의 전기장 분포를 형성하도록 설계됐다는 의미로 이해하는 편이 적절합니다.

자극은 특정 부위에서 시작해 연결된 뇌 네트워크로 이어질 수 있습니다

뇌는 각각의 영역이 따로 움직이는 구조가 아니라 여러 영역이 서로 연결된 신경 네트워크로 기능합니다.

특정 피질 영역의 신경 활동에 변화가 생기면 자극받은 신경세포와 시냅스를 통해 주변 신경회로로 신호가 전달될 수 있습니다. 이후 해부학적·기능적으로 연결된 다른 뇌 영역에도 간접적인 영향이 이어질 수 있습니다.

우울증 연구에서도 전전두피질을 비롯해 감정 조절과 인지 기능에 관여하는 여러 뇌 영역 사이의 연결 관계가 중요하게 다뤄집니다. Deep TMS 역시 특정 한 지점을 단순히 ‘켜거나 끄는’ 방식보다는 목표 영역에서 시작된 자극이 연결된 신경 네트워크의 활동에 영향을 줄 수 있는 신경조절 방식으로 이해할 수 있습니다.

이 때문에 Deep TMS가 특정 뇌 부위의 활성도를 단순히 높이거나 낮춘다고 표현하는 것도 충분하지 않습니다. 실제 신경 반응에는 흥분성·억제성 회로와 여러 뇌 영역 사이의 연결 관계가 함께 관여할 수 있습니다.

Deep TMS의 세부 생물학적 기전은 계속 연구되고 있습니다

Deep TMS가 이용하는 전자기 유도의 물리적 원리와 유도된 전기장이 신경세포의 전기적 활동에 영향을 줄 수 있다는 기본 과정은 비교적 잘 알려져 있습니다.

반면 반복 자극이 장기간의 변화로 이어지는 과정은 훨씬 복잡합니다. 신경가소성과 시냅스 기능, 흥분성·억제성 신호의 균형, 서로 연결된 뇌 네트워크의 변화 등이 관련되는 것으로 연구되고 있지만 모든 세부 경로가 확인된 것은 아닙니다.

따라서 Deep TMS를 특정 뇌 영역을 ‘정상화한다’거나 ‘다시 활성화한다’는 식으로 단순하게 설명하는 것은 적절하지 않습니다.

현재 알려진 원리를 기준으로 보면 자기장으로 유도된 전기장이 신경세포의 전기적 활동에 영향을 주고, 그 변화가 국소 신경회로와 연결된 뇌 네트워크로 이어질 수 있는 신경조절 방식으로 이해하는 것이 적절합니다.

Deep TMS의 원리를 이해했다면, 실제 치료를 받기 전 확인해야 할 사항도 함께 살펴볼 수 있습니다.