대한안신경의학회지 : 제 5 권제 1 호 ISSN: 2234-0971 REVIEW 전정안반사 최정윤 고려대학교안산병원신경과 Vestibulo-ocular Reflex Jeong-Yoon Choi, MD Department of Neurology, Korea University Ansan Hospital, Ansan, Korea In this review, anatomical structures and physiologic properties of vestibulo-ocular reflexes are summarized. Vestibulo-ocular reflexes initiate by sensing the physical stimulus (head motion) and transforming it as electrical signaling at the peripheral vestibular apparatus. The peripheral vestibular nerve could be divided into regular and irregular afferents or low-, intermediate-, and highadaptive afferents. In the central nervous system, vestibulo-ocular reflex pathways can be divided into direct pathway and indirect pathway. This classification would be useful to understanding the purpose of VOR. Keyword: Vestibulo-ocular reflex 서론공간에서머리자체가움직이거나몸이움직이면관심사물이망막의중심와에서벗어나게된다. 전정신경계는이와같은공간에서머리의움직임에도불구하고관심사물에대한시선 (line of sight) 을유지하기위해서반드시필요한반사이다. 전정신경계는머리움직임의각-운동성분 (angular motion) 과선-운동성분 (linear motion) 에반응하여, 보상적인안구의움직임을만들어내며, 이를전정안반사 (vestibulo-ocular reflex) 라고한다. 머리의각-운동성분은세반고리관 (semicircular canal) 에의해서, 그리고선-운동성분은이석기관 (otolith organ) 에의해측정된다. 이둘은전정안반사를위한입력 (input) 신호를만들어낸다. 전정안반사는크게 3가지로구분할수있는데, 머리의각-운동에반응하는각-전정안반사 (angular vestibulo-ocular reflex), 선-운동에반응하는선-전정안반사 (linear vestibulo-ocular reflex), 그 리고중력에대한머리위치의변화 (tilt) 에반응하는안구의보상적-회선 (ocular counter-rolling) 으로구분할수있다 (Fig. 1). 일반적으로머리의움직임이나타나는축에비해안구는수평으로분리되어앞쪽에위치하기때문에머리의각-운동은눈이위치한안와의각-운동과선-운동을동시에유발하게되다. 따라서머리의각-운동은각-전정안반사와선-전정안반사를동시에유발하게된다. 일반적으로인간이걷는것과같은생활중에나타나는머리의각- 운동을분석하면약 0.5-5 Hz의높은주파수를가지고있다. 이러한머리의각-운동을보상하기위해서각-전정안반사는약 7-15 ms의매우짧은잠복기 (latency) 를가지고나타난다. 눈의움직임을만들어내는다른어떤회로도이와같은짧은잠복기를가지고있지못하다. 따라서, 만약전정안반사가손상된경우, 머리움직임이있는동안의시력 ( 동적시력 ) 은손상되게된다. 본종설에서는전정안반사를구성하는회로의해부학과생리학에대해고찰하였다. Correspondence to: Jeong-Yoon Choi, MD Department of Neurology, Korea University College of Medicine, Korea University Ansan Hospital, 123 Jeokgeum-ro, Danwon-gu, Ansan 425-707, Korea Tel: +82-31-412-5150; Fax: +82-31-412-5154; E-mail: a-yeong@hanmail.net Received: Mar. 29, 2015 / Accepted: Apr. 2, 2015 Copyright 2015 The Korean Society of Neuro-Ophthalmology http://neuro-ophthalmology.co.kr 15
Choi J-Y Vestibulo-ocular Reflex Pitch Yaw Roll 막성미로는머리의움직임과같이이동한다. 반면내림프액및이석은관성에의해막성미로와움직임의차이가발생하는데, 이는젤라틴 성분의팽대부릉정 (cupula) 및이석막 (otolith membrane) 에존재하는 부등섬모와운동섬모의움직임을유발하게되어감각세포가흥분 또는억제하게된다. 각각의머리움직임이세반고리관과이석기관을 자극하는경우를살펴보겠다. Bob Heave Surge Fig. 1. Schematic diagrams for vestibulo-ocular reflex. 말초전정수용체의해부와생리전정미로 (vestibular labyrinth) 는측두골 (temporal bone) 내에존재한다. 외측부터보면, 뼈로구성된공간 ( 골성미로, bony labyrinth) 이있고, 다음으로완충역할을하는외림프액 (perilymph) 이존재하며, 그안에막성미로 (membranous labyrinth) 가있다. 막성미로안쪽에는내림프액 (endolymph) 이존재한다. 반고리관의경우감각상피는팽대부릉 (crista ampullaris) 이라고하며, 이석기관의경우감각상피는평형반 (maculae) 이라한다. 팽대부릉과평형반에는감각세포인유모세포 (hair cell) 이존재하며, 구심성신경말단의형태에따라 1형 ( 술잔형말단, calyx type) 과 2형 ( 단추형말단, button type) 으로구분한다. 각각의유모세포는상부에여러개의부동섬모 (stereocilia) 와한개의운동섬모 (kinocilia) 를가지고있으며, 이들섬모는세반고리관의경우돛모양 (sail shape) 으로생긴젤라틴성분의팽대부릉정 (cupula) 이덮고있으며, 이석기관의경우판형의젤라틴성분이덮고그위에이석 (otolith) 가깔려있다. 감각세포는부동섬모가운동섬모를향하여구부러질때흥분하며, 운동섬모가부동섬모를향하여구부러질때억제된다. 부동섬모와운동섬모는팽대부릉과평형반내에서특정방향의전단력 (shearing force) 에가장잘반응할수있는배열을이루고있다. 머리의움직임이전정미로내의감각세포를자극하는원리는상당히기계적이다. 머리의각-운동또는선-운동이발생하면골성미로와 1. 세반고리관반고리관은 2쌍의수직 ( 전, 후 ) 반고리관과 1쌍의수평반고리관이있으며, 팽대부릉은모두이석기관중하나인난형낭 (utricle) 쪽에위치한다. 수직반고리관내의팽대부릉에는운동섬모가난형낭에서먼쪽으로위치한다. 따라서머리를숙이면, 전반고리관내의내림프는난형낭에서멀어지게되어부등섬모가운동섬모를향하여기울어져, 운동섬모가흥분하게된다. 반면같은움직임에대해후반고리관내의내림프는난형낭을향하기때문에운동섬모가부등섬모를향하여구부러져운동섬모는억제된다. 따라서머리를숙이는동안시선을고정하기위해눈이안와에서위쪽으로향하는움직임은전-반고리관의흥분과후-반고리관의억제로설명될수있다. 수평반고리관은섬모의배열이수직반고리관과다르다. 즉운동섬모가난형낭쪽에위치한다. 머리를우측으로돌리면우측수평반고리관의내림프액은상대적으로난형낭을향하게되며부동섬모가운동섬모를향하여구부러져우측수평반고리관을흥분시킨다. 반면좌측수평반고리관은억제가될것이다. 즉머리를우측으로돌리는동안시선을고정하기위해눈을좌측으로움직이는것은우측수평반고리관의흥분과좌측수평반고리관의억제에의해설명할수있다. 2. 이석기관난형낭과구형낭 (saccule) 로구성된다. 각각에는 striolar라고불리는중앙무늬가존재하며, 난형낭의운동섬모는 striolar쪽으로배열되어있으며, 구형낭의운동섬모는 striolar에서먼쪽으로배열되어있다. Striolar의한쪽이자극되면반대편이억제되는현상도기술되었는데이를 cross striolar inhibition이라고한다. 이석기관의감각세포는선-운동에의한자극이 striolar 주변의감각섬모배열에맞춰질때가장잘흥분하게된다. 난형낭의경우 striolar의외측부는머리의선-운동자극에가장잘반응하고, 내측부는중력에의한자극에잘반응할것으로추정된다. 이는일측성전정신경병증이있을때병변측을향하는선-운동에대해선-전정안반사가소실되고, 병변측을향하여머리를기울일때안구의회선장애가관찰되는현상을설명할수있다. 16 http://neuro-ophthalmology.co.kr
전정안반사 최정윤 전정신경의해부와생리 응형신경섬유로추정할수있다. 전정신경의세포체는 Scarpa신경절에존재하며말초수용기에서측정된신호를전정신경핵 (vestibular nucleus) 과소뇌의타래 (flocculus) 및부타래 (paraf locculus), 결절 (nodulus) 및목젖 (uvula) 으로전달한다. 전정신경은두부분으로구분할수있는데, 상-전정신경은전-반고리관, 수평-반고리관, 난형낭에신경지배를가지며, 하-전정신경은후-반고리관과구형낭에주로신경지배를가진다. 전정신경섬유는머리의움직임이없는상태에서도활동또는방전을보여주는데, 이를안정기방전 (resting discharge) 이라고한다. 또한안정기방전의형태에따라규칙적구심신경 (regular vestibular afferent) 과불규칙적구심신경 (irregular vestibular afferent) 으로구분할수있다. 해부학적으로보면, 전정신경중에서두꺼운것은감각상피의중심부에위치하는한개혹은서너개의제1형유모세포 ( 술잔형말단 ) 과연접하며, 불규칙하고긴장성방전을하며, 자극에대한민감도가높다. 얇은섬유는주변부를지배하며, 여러개의제2형유모세포 ( 단추형말단 ) 와연접하며, 규칙적이고위상형으로방전하며, 자극에대한민감도가낮다. 중간두께의섬유는제1형, 제2형신경말단모두와연접하며 (dimorphic) 팽대부릉전체에골고루분포하고있는데, 중심부의섬유는규칙적으로, 주변부의섬유는불규칙하게방전한다. 또한전정신경섬유는자극에대한적응능력에따라낮은, 중간, 그리고높은적응형신경섬유로구분할수있다. 낮은적응형 (low adaptive) 신경섬유는자극의크기와지속시간에따라반응이변화가없고, 자극후에도자발적방전이변화하지않는특징을보여주며, 높은적응형 (high adaptive) 신경섬유는자극이따라자발적방전량이변화하며 2차현상 (secondary phenomenon) 을보여준다 (Fig. 2). 따라서현재까지의연구결과를정리해보면, 규칙적구심신경섬유는얇은신경섬유로서주로 2형유모세포와연관되며낮은적응형신경섬유로추정된다. 반면불규칙적구심신경섬유는굵은신경섬유로서, 주로 1형유모세포와연관되며자극에대한이득이높고, 높은적 Regular afferent Irregular afferent Stimulus paradigm Low adaptive afferent High adaptive afferent Constant acceleration period 중추전정계의해부와생리전정신경핵은연수 (medulla) 와교뇌 (pons) 의접합부외측에존재하며, 위치에따라크게내측 (medial), 외측 (lateral), 상부 (superior), 그리고하부 (inferior) 전정신경핵으로구분할수있으며, 각각의기능도약간씩상이하다. 그러나전정안반사에주로관여하는것은내측전정신경핵과상부전정신경핵이다. 1. 중추신경계에서의각-전정안반사수평각-전정안반사를담당하는흥분성직접경로는크게두가지이다. 첫번째는전정신경핵에서 Deiter 상행로 (ascending tract of Deiter) 를통해동측의동안신경핵 (oculomotor nucleus) 의내직근 (inferior rectus) 아핵 (subnucleus) 으로향하는신경로이다. 다른하나는반대편외전신경핵 (abducens nucleus) 으로향하는경로로외전신경핵에전해진자극은운동신경원을통해외직근 (lateral rectus) 을수축시키는역할을한다. 또한외전신경핵내의중간신경원 (interneuron) 은반대편내측종속 (medial longitudinal fasiculus) 을통해내직근아핵을흥분시키므로, 한쪽수평반고리관에대한자극은반대편외직근및동측의내직근을수축시켜, 눈이반대쪽으로돌아가게한다. 수직각-전정안반사중전-반고리관으로부터전달된신호는전정신경핵을거쳐동측의상직근 (superior rectus) 및반대편의하사근 (inferior oblique) 을수축시켜, 양안의상전 (elevation) 및반대편으로의회선 (torsion) 운동을일으킨다. 전정신경핵에서외안근핵 (ocular motor nucleus, III, IV, VI) 으로신호가전달되는경로는두가지가알려져있다. 하나는전정신경핵에서반대편내측종속을따라동안신경핵으로가서상직근아핵및하사근아핵을지배한다. 다른경로는위쪽전정신경핵의뒤쪽에서시냅스를형성한후, brachium conjunctivum이나복측피개로 (ventral tegmental pathway) 를따라반대편동안신경핵으로향하는것으로동물실험에서는확인된바있으나, 인간에서는그존재가불분명하다. 수직각-전정안반사중후-반고리관에서전달된신호는동측의상사근 (superior oblique) 및반대편의하직근 (inferior rectus) 을수축시키고, 동측하사근및반대편상직근을억제시켜양안의하전및반대편으로의회선운동을발생시킨다. 후-반고리관의흥분성경로는안쪽전정신경핵을거쳐반대편내측종속을경유한다 (Fig. 3). Constant velocity period Vestibular discharge Fig. 2. Characteristics of vestibular nerve discharge. 2ndary phenomenon 2. 중추신경계에서의선 - 전정안반사 각 - 전정안반사로와는달리선 - 전정안반사로는정확히알려져있 지않다. 원숭이실험에서보고된바에따르면, 구형낭에서기원한신 http://neuro-ophthalmology.co.kr 17
Choi J-Y Vestibulo-ocular Reflex Angular VOR pathway Translational VOR pathway Fig. 3. Schematic diagrams for the pathway of angular and translational VOR. AC, anterior canal; HC, horizontal canal; PC, posterior canal; UT-LAT, lateral part of utricle; UT-MED, medial part of utricle; 3, oculomotor nucleus complex; 4, trochlear nucleus; 6, abducens nucleus; 8, vestibular nucleus complex; SR, superior rectus subnucleus; IR, inferior rectus subnucleus; IO, inferior oblique subnucleus; MR, medial rectus subnucleus; MLR, medial longitudinal fasciculus; BC, brachium conjunctivum; VTT, ventral tegmental tract; ATD, ascending tract of Deiter. 호는상측전정신경핵과소뇌의결절과목젖으로향하는것으로알려져있다. 난형낭에서기원한신호는내측, 상측전정신경핵으로주로전달되며, 일부소뇌의결절과목젖, 타래와부타래, 꼭지 (fastigial) 핵으로전달된다. 구형낭에서기원한신호는주로전정척수회로 (vestibulospinal tract) 를이용하여몸의자세를유지하는데중요하게작용할것으로추정된다. 반면난형낭에서기원한신호는선-전정안반사에주로작용할것으로추정된다. 구형낭에서기원한신경을자극하면, 하향성안구움직임이관찰되었다. 난형낭에서기원한신경을자극하면, 동측눈의상사근, 상직근, 내직근을수축시키며, 반대측눈의하사근, 하직근, 외직근을수축시키는것으로보고되었다. 반면, 다른실험에서는난형낭에서기원한신경을자극시자극된방향을향하는수평성안운동을보고하였다. 이러한결과를해석할때유의해야할점은이석기관의감각섬모가일정방향으로배열되지않기때문에인공적인전기자극은자극의위치에따라다양한안구움직임을유발할수있다는것이다. 현재추정되는선-전정안반사의기전은중추전정회로가일상생활에서발생하는선-운동에대한정보를 cross striolar inhibition의기전과수직성반고리관의신호를이용하여소뇌에서중력신호와선-운동을구분하는것으로알려져있으며, 이는다-시냅스회로 (poly-synaptic pathway) 를거친다. 실제로수평성선-전정안반사를발생시키기위해서는난형낭의외측에서기원한신호가동측의전정신경핵으로직접신호를전달하기보다는소뇌를경유하여반대편전정신경핵에신호를전달하여적절한선-안구운동을만들어내는것으로추정된다. 반면, 머리기울임에대해서는난형낭의내측에서기원한신호가동측의전정신경핵을경유하여안구운동핵에전달되어, 동측의눈은위로올라가고, 반대편눈은아래로내려가는수직방향의안구편위및반대편으로의회선운동이양안에서발생하게하는보상적-안구회선이나타나게하는것으로추정된다 (Fig. 3). 전정안반사의기능전정안반사는말초전정수용체에서머리의움직임, 즉물리학적신호를전기적신호로변환하여중추신경계에전달한다. 전정안반사는 18 http://neuro-ophthalmology.co.kr
전정안반사 최정윤 고전적으로머리움직임에대해보상적안구운동을유발하여관심사물에시선을유지시켜주는기능을하는것으로알려져있다. 이는말초전정수용체에서시작되어뇌간에서끝나는전정안반사의하위적현상에대한설명이다. 하지만보다근원적으로살펴보면, 전정안반사는머리움직임에대한정보를제공하고시각신호에대한정확성을제공하여, 보다상위적개념인공간지남력을유지시켜주는기능을담당한다. 이와같은포괄적의미에서전정안반사를이해할필요가있으며, 앞으로기술할직접회로와간접회로에대한내용은전정안반사의포괄적이해를돕는내용이될것이다. 1. 직접회로 (direct pathway) 이는다른표현으로는전정안반사의빠른성분으로표현되기도한다. Scarpa ganglion 에서시작된 1차신경원, 전정신경핵에서안구운동핵으로의 2차신경원, 그리고안구운동핵에서안근까지의 3차신경원으로구성된회로를의미한다. 높은주파수의머리움직임에서작용하며, 머리움직임 ( 입력 ) 을보상하는안구의움직임 ( 출력 ) 을머리중심 (craniotopic reference frame) 에서만들어낸다. 즉앉아있거나누워있는자세에서수평성각-머리운동은머리를기준으로하여수평성각-안구운동을만들어낸다. 2. 간접회로 (indirect pathway) 다른표현으로는느린성분의전정안반사라고한다. 낮은주파수의머리움직임 ( 예를들면일정방향으로각-이동하는운동 ) 에서전정안반사의낮은이득을보상하는것으로처음알려졌다. 느린성분의전정안반사는현재전정신경의신호나시각신호를입력으로하고, 느린성분의안구운동을만들어내는것을출력으로하는누수적신경적분체 (leaky neural integrator) 로설계된다. 특히느린성분의전정안반사는자극의시작과끝 ( 입력 ) 에관련하기보다는자극이끝난뒤에도눈의완서상운동을유발하는것을특징으로한다. 따라서느린성분의전정안반사는눈의완서상속도를저장또는유지한다고하여, 속도저장기전또는속도저장회로라고도한다. 느린성분의전정안반사 를구성하는회로는양측전정신경핵과둘을이어주는전정 commissure, 그리고소뇌로구성된다. 느린성분의전정안반사는속도를저장 하는특징이외에도 3 차원적특징을가지고있다. 예를들어설명하 면, 서있는자세에서머리를중심으로회전을하게되면, 머리회전운 동의축은수직이며 ( 오른손의법칙 ), 중력방향과일치한다. 이경우, 눈은수평성각 - 운동을하기때문에눈회전의축도수직이되며, 중 력방향과일치한다. 반면머리를기울여서머리의중심축으로회전 운동을유발하면, 머리회전운동의축은수직이아니며, 중력방향과 차이가있게된다. 그러나정상적인속도저장기전이있다면, 안구의 운동방향은머리움직임에따라나타나는것이아니라중력축에안 구움직임의축을맞추려하기때문에수평성안구회전운동의크기가 줄어들고, 수직, 회선성안구운동성분이나타난다. 이와같은현상을 cross-coupling 이라고말하며, 임상적으로는회전의자검사에서머리 기울임뒤에시간상수가줄어드는억제현상 (tilt suppression) 과동일 한것이다. 여기까지살펴보면, 느린성분의전정안반사는크게 3 가지 기능을가지고있음을알수있다. 즉느린주파수의수직성머리회전 자극에서전정안반사의이득을향상시키며, 중력에관해기울어진머 리회전자극시수평성안구운동을줄이며, 마지막으로수직, 회선안 구운동을발생시키는것이다. 그러나, 이와같은 3 가지소견은느린전 정안반사의근원적기능이라기보다는표면화된현상일뿐이다. 실제 로느린전정안반사는중력이라는공간지남력의요소를유지시키기 위해기능한다. 즉끊임없이변하는머리위치를중력에관련하여판 단할수있게하는것이다. 이를이해하기위해서는방대한실험연구 결과에대한이해가필요하기때문에본종설에서는생략하겠다. REFERENCES 1. Leigh RJ, Zee DS. The neurology of eye movements [online]. http://www. loc.gov/catdir/toc/ecip0517/2005022301.html. 2. Cohen B, Wearne S, Dai M, Raphan T. Spatial orientation of the angular vestibulo-ocular reflex. Journal of Vestibular Research: Equilibrium & Orientation 1999;9:163-172. http://neuro-ophthalmology.co.kr 19