형제 관계와 뇌 구조 및 연결성

Abstract

서론: 다른 역할을 지닌 타인과의 상호작용은 특히 어린 시절에, 본인뿐만 아니라 상대방의 역할을 배우고 이해하게 됨으로써 성격과 사회성의 발달과정을 돕는 것으로 알려져있다. 형제 관계는 나와 다른 역할을 지닌 타인과의 다양한 상호작용을 아주 어린 시절부터 경험할 수 있는 사회적 네트워크를 제공하므로, 형제가 있는 사람과 없는 사람의 사회성에는 차이가 있을 것이라는 주장이 제기되어 왔으며 뇌 발달에도 차이가 있을 것으로 생각된다. 그러나 현재까지는 이러한 사회성 차이에 대한 특정한 결론을 내릴 수 있는 근거가 부족하며, 뇌영상을 분석한 연구는 없었다. 이에, 본 연구는 형제가 있는 사람과 형제가 없는 사람의 뇌의 구조적, 기능적 차이를 다중 뇌 자기공명영상 분석을 통하여 확인하고, 이러한 뇌의 차이가 사회성을 조율하는 것으로 알려진 유전자다형성과 관련되어있는지 확인하고자 하였다. 본 연구는, 첫째이거나, 형제 수가 2명인 경우 외동과의 차이에 대한 효과크기가 유의하지 않은 것으로 보고한 선행연구를 참고로 진행하며, 본 연구를 통하여 형제 관계 유무에 따른 사회성의 차이를 조금 더 객관적인 결과에 근거하여 설명할 수 있을 것으로 기대한다.

방법: 20-30대의 건강한 젊은 성인 남녀 125명(형제 군 75명―첫째 및 본인을 포함한 형제 수가 2명인 사람 제외, 외동 군 50명)을 대상으로 구조적, 휴지기 기능적 자기공명영상을 획득하였다. 나이, 성별, 교육연한을 포함한 인구학적 정보를 얻었고, 친사회적 경향척도(prosocial tendencies measure, PTM), 다차원 정서적 공감척도(multi-dimensional emotional empathy scale, MDEES), 사회공급척도(social provisions scale, SPS)를 사용하여 사회적 특성과 관련된 임상적 정보를 얻었다. 관심 뇌 영역(regions of interest, ROIs)은 사회적 인지와 관련된 것으로 지속적으로 보고된 정중전전두엽(medial prefrontal cortex, mPFC), 하두정엽(inferior parietal lobule, IPL), 후측대상피질(posterior cingulate cortex), 편도체(amygdala)로 정하였다. 대뇌 피질의 두께 및 피질하구조물의 용적은 FreeSurfer 소프트웨어를 사용하여 측정하였으며, 휴지기 기능적 연결성은 4개의 관심영역에 대하여, 관심 영역 간(ROI-to-ROI) 및 관심영역과 뇌 전체 voxel 간(seed-to-voxel)의 기능적 연결성에 대하여 분석하였다. 두 군 간 뇌 구조 및 기능적 연결성에 차이가 있는지 분석하였으며, 유의한 차이가 나타난 영역에 대하여 PTM, MDEES, SPS 점수와의 상관관계를 분석하였다. 또한 옥시토신 수용체 유전자(OXTR)의 단일염기 유전자다형성(rs11131149)이 본 연구에서 관찰된 뇌의 구조적, 기능적 차이와 관련되어있는지 확인하였다.

결과: 예상한 바와 같이, 이타적 친사회적 경향이 형제 군에서 외동 군에 비하여 유의하게 높게 관찰되었다(β = 0.25, P = 0.005). (1) 구조적 뇌 영상 분석 결과, 좌측 IPL의 두께가 형제 군이 외동 군에 비해 유의하게 두꺼운 것은 것으로 나타났다(Cohen's d = 0.43, P = 0.02). 외동 군에서 SPS 총점이 높을 수록 좌측 IPL의 두께가 유의하게 두꺼웠으며(β = 0.37, P = 0.04), 형제 군에서는 이러한 관계가 나타나지 않았고, SPS 총점과 그룹의 교호 효과는 유의하게 관찰되었다(P for interaction = 0.02). 또한 OXTR 유전자의 G 동형접합체(homozygotes)를 가지는 형제 군에서 좌측 IPL의 두께가 가장 두껍고, 다음으로 A 유전자형 보유자(carriers)인 형제 군, G 동형접합체를 가진 외동 군, 마지막으로 A 유전자형 보유자인 외동 군으로 갈수록 얇아지는 선형적 양상이 유의하게 관찰되었다(P for linear trend = 0.03). (2) ROI-to-ROI 분석 결과 양측 IPL과 편도체의 연결성이 형제 군에서 외동 군에 비하여 유의하게 높게 관찰되었다(Fisher-transformed correlation coefficient = 0.07, P = 0.02). 양측 IPL과 편도체의 연결성은 전체 표본에서 이타적 친사회적 경향과 양의 상관관계를 가지는 것으로 나타났다(β = 0.18, P = 0.048). (3) Seed-to-voxel 분석 결과 해마(hippocampus) 및 창백핵(pallidum)을 포함하는 군집과 mPFC의 연결성, 조가비핵(putamen)과 양측 IPL의 기능적 연결성이 형제 군에서 외동 군에 비하여 유의하게 높게 관찰되었다(mPFC―해마 및 창백핵, peak t = 4.66, Cluster size P = 0.01

IPL―조가비핵, peak t = 3.81, Cluster size P = 0.04). mPFC와 해마 및 창백핵 영역과의 기능적 연결성이 높을 수록 전체 표본과 형제 군에서 이타적 친사회적 경향도 유의하게 높은 것으로 나타났다(전체 표본, β = 0.32, P < 0.001

형제 군, β = 0.26, P = 0.03). 또한 양측 IPL과 좌측 central operculum을 포함하는 군집의 연결성도 형제 군에서 외동 군에 비하여 유의하게 강하게 나타났다(β = 0.42, Cluster size P = 0.03). 해당 기능적 연결성은 전체 표본에서 이타적 친사회적 경향과도 양의 상관관계를 가지는 것으로 관찰되었고(β = 0.19, P = 0.04), OXTR 유전자의 G 동형접합체를 가지는 형제 군의 기능적 연결성이 가장 강하고, A 유전자형 보유자(carriers)인 형제 군, G 동형접합체를 가진 외동 군, 마지막으로 A 유전자형 보유자인 외동 군으로 갈수록 연결성이 약해지는 선형적 양상 또한 유의하게 관찰되었다(P for linear trend < 0.001). 한편, 형제 군에서 외동 군에 비하여 양측 IPL과 중간 전두엽(middle frontal gyrus)를 포함하는 군집의 기능적 연결성은 유의하게 낮게 나타났으며(β = -0.39, Cluster size P = 0.004), 해당 연결성은 MDEES의 하위 항목인 전반적 공감 능력과 음의 상관관계를 갖는 것으로 관찰되었다(β = -0.29, P = 0.02). 해당 연결성은 OXTR 유전자의 G 동형접합체를 가지는 형제 군에서 가장 낮고, A 유전자형 보유자(carriers)를 가진 형제 군, G 동형접합체를 가진 외동 군, 마지막으로 A 유전자형 보유자인 외동 군으로 갈수록 강해지는 선형적 양상 또한 유의하게 관찰되었다(P for linear trend < 0.001).

결론: 본 연구는 형제가 있는 사람과 형제가 없는 사람의 사회적 특성의 차이와 뇌의 구조적, 기능적 차이의 연관성을 다중 뇌자기공명영상 분석기법을 활용하여 확인한 최초의 연구이다. 사회적 인지와 관련된 것으로 지속적으로 보고된 IPL의 두께가 형제가 있는 사람에서 더 두꺼운 것으로 나타났고, 형제가 없더라도 사회적 네트워크의 질이 높은 경우 IPL의 피질 두께가 두껍게 관찰된 점은 IPL 영역이 사회적 관계와 밀접한 관계가 있으며 형제 관계가 양질의 사회적 네트워크를 제공함을 시사한다. 하지만, 좌측 IPL의 두께와 친사회적 경향, 공감능력의 상관관계가 유의하지 않은 것으로 나타난 점은, 사회성이 어느 한 뇌 영역에 의하여 조절되는 것이 아니라, 복잡한 네트워크가 존재하기 때문일 것으로 생각된다. 기능적 뇌영상 분석에서는 형제가 있는 사람에서 인간의 사회적 행동, 공감과 관련된 것으로 알려진 거울 신경 시스템의 기능적 연결성이 높게 나타났고, 해당 연결성이 이타적 친사회적 경향과 양의 상관관계를 보여, 형제 유무에 따라 나타나는 사회성의 차이가 뇌의 기능적 연결성 차이에 의해 수반되었을 잠재적 가능성을 시사한다. OXTR 유전자 다형성에 대하여는, rs11131149 SNP에 의하여 뇌의 구조적 기능적 차이가 선행연구와 같은 방향으로 나타나는 것을 확인하였으나, 형제 군 내에서 특별히 그 차이가 유의하게 나타나지는 않아, 유전자 다형성에 의한 조절이 형제 간의 상호작용과 큰 관련이 있지는 않은 것으로 조심스럽게 유추할 수 있다.