[EBM] 운동의 신경생물학적 기전

진료 시 환자 분들에게 자주 이런 질문을 받곤 합니다. “증상이 좋아지려면 약물 치료 외에도 어떤 것들을 병행해야 더욱 효과적인가요 선생님?” 이런 질문에 아마도 이미 많은 치료자 분들이 ‘운동’ 이라고 대답하고 계실 것입니다.

일반인들도 운동을 하면 일시적으로 기분이 좋아지고 치매 예방에도 효과적이라는 것을 어렴풋이 알고 있습니다. 실제로 메타분석을 포함한 많은 연구들이 운동이 주요우울장애, 양극성 장애, 불안 장애, 조현병, 그리고 식이 장애 등의 질환 치료에 효과가 있음을 보고하였습니다. 치료자들은 전문가인만큼 운동이 구체적으로 뇌에 어떤 영향을 미쳐서 이러한 치료 효과가 있는지 아는 것이 중요할 것 같습니다.

운동을 하면 즉각적으로 뇌의 대사, 혈류량 및 산소화가 증가하고, 기분 상승 및 항불안 효과를 지닌 anandamide, β-endorphin 등의 물질들이 분비되며세로토닌, 도파민 등의 신경전달물질 농도에 변화가 일어나고, brain-derived neurotrophic factor (BDNF)를 포함한 여러 영양 인자(trophic factor)들의 분비가 촉진됩니다.Trophic factor는 세포의 생존/확산/성숙을 위해 필요한 물질이며, BDNF 외에도 insulin-like growth factor, vascular endothelial growth factor, neurotrophin-3, fibroblast growth factor, glial cell line-derived neurotrophic factor, epidermal growth factor, nerve growth factor등의 물질들이 이에 해당합니다.5 단기적인 운동으로도 기분이 순간 상승되는 경험을 할 수 있는데, 이는 runner's high라는 용어로도 잘 알려진 바입니다.

장기적인 운동에서 나타나는 변화의 기전은 앞서 언급된 단기적인 운동과는 다소 차이가 있으며 신경 발생 (neurogenesis), 혈관 신생(angiogenesis), 그리고 시냅스 생성(synaptogenesis) 등이 주요 기전으로 작용합니다.13 기존 연구들은 장기적인 운동으로 인하여 해마(hippocampus), 전두 피질(frontal cortex), 운동 피질(motor cortex) 등의 뇌 영역에서 신경발생이 촉진됨을 보고하였습니다.9 이러한 기전에 가장 핵심적으로 작용하는 물질 중 하나가 BDNF이며, BDNF는 신경 발생, 세포 분화, 시냅스 형성 등을 촉진하여 성인 뇌의 시냅스 가소성(synaptic plasticity)에 중심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다.10 2017년에 발표된 55개의 연구를 포함한 메타 분석에서 운동을 하는 기간이 길수록 BDNF 농도가 상승됨을 보고하였으며3 뇌 혈류량 증가, 신경전달 물질 및 기타 영양인자 분비의 증가, phosphorylated (P)-cAMP-response-element binding protein (CREB) 등의 물질 증가로 인한 BDNF 유전자 전사의 증가가 그 원인 기전으로 여겨지고 있습니다. BDNF 뿐만 아니라 앞서 언급된 insulin-like growth factor, vascular endothelial growth factor 등의 여러 다른 영양 인자들도 운동 시 증가됨을 여러 선행 연구에서 보고하고 있습니다.

운동은 시상하부-뇌하수체-부신축 (hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA) axis) 활성화에도 영향을 끼칩니다.4 HPA axis 는 스트레스 시 뇌에서 가장 빠르게 반응하는 축 중에 하나로 HPA axis 활성화로 인하여 우리 몸에서 코티졸(cortisol)이 분비됩니다. HPA axis의 비정상적인 활성화는 주요우울장애 및 불안장애의 핵심적인 병태생리학적 기전으로 여겨지고 있습니다. 운동 또한 처음에는 몸에서 스트레스 인자(stressor)로 여겨지므로 운동 초기에는 코티졸 (cortisol) 분비가 증가하지만, 반복적으로 운동을 할 경우에는 HPA axis adaptation (적응)이 일어나서 코티졸 농도가 감소하는 것이 관찰되었습니다. 즉 운동이 정상적인 HPA axis 활동에 도움이 되는 것으로 여겨지고 있습니다.8

운동의 항산화 효과 또한 보고된 바 있습니다. 여러 신경변성 질환을 앓고 있을 경우 뿐만 아니라 정상적인 노화 기전에 의해서도 활성산소(reactive oxygen species)가 우리 몸에 축적되는데, 활성산소는 뇌세포를 포함한 전신 세포의 산화 스트레스 유도 세포 자멸사 (oxidative stress-induced apoptosis)을 일으킵니다. 반복적인 운동은 활성산소 및 산화 스트레스를 감소시키고, 우리 몸이 고유하게 지니고 있는 항산화 시스템 기능을 증진시키는 것으로 보고되었습니다.7

운동은 항염증 효과도 있는 것으로 여겨지고 있습니다. 주요우울장애를 포함한 많은 정신과 질환들에서 interleukin (IL)-1β, IL-6, TNF-α 등의 염증성 사이토카인(cytokine) 수치 증가로 대표되는 염증 반응의 활성화가 관찰되고 있습니다. 뇌에서의 염증 반응으로 인한 뇌세포 손상 및 뇌 구조적/기능적 변화가 여러 정신과 질환의 병태 생리학 기전으로 제시되고 있는데, 장기적인 운동이 염증성 사이토카인 수치를 감소시킨다고 여러 선행 연구들이 보고하고 있습니다.

기존의 다수 자기공명영상 연구들은 장기적인 운동과 뇌 구조 변화 사이 관련성을 보고하였습니다. 연령층에 따라 변화가 나타나는 영역에는 차이가 있었으나, 모든 연령층에서 장기적인 운동에 의해 뇌 구조의 변화가 일어나는 것이 관찰되었습니다. 아동 청소년기에는 뇌의 기저핵(basal ganglia) 및 해마(hippocampus) 부위1, 성인기에는 뇌섬엽(insula) 부위11, 그리고 노년기에는 해마(hippocampus) 및 전두 피질(frontal cortex) 부위의 부피가 장기적인 운동으로 인하여 증가됨이 관찰되었습니다.14 뇌의 회백질 (grey matter) 영역들 뿐만 아니라 뇌기능에 핵심적인 역할을 하는 뇌량 (corpus callosum)등의 여러 백질 부위(white matter)들 또한 장기적인 운동에 영향을 받는 것으로 보고되었습니다.12 이 모든 뇌영역들은 감정 조절 및 인지기능에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 주요우울장애, 불안장애 및 치매 등의 정신과 질환의 발병에도 관여하는 것으로 여겨지고 있습니다.

운동의 신경생물학적 기전에 대해서 치료자분들께서 명확하게 알고 계시면 환자분들에게도 더욱 적극적으로 운동을 권유하실 수 있을 것 같습니다. 다음 글은 운동이 구체적으로 어떤 정신과 질환에 효과가 있는 것으로 보고되고 있는지 다루도록 하겠습니다.

본 자료는 Progress in Mind Korea 편집위원회 소속 저자가 집필한 자료이며, 한국룬드벡의 의견과 다를 수 있습니다.

참고문헌
  1. Chaddock L, Erickson KI, Prakash RS, Kim JS, Voss MW, Vanpatter M, et al (2010). A neuroimaging investigation of the association between aerobic fitness, hippocampal volume, and memory performance in preadolescent children. Brain research 1358: 172-183.
  2. Dietrich A, McDaniel WF (2004). Endocannabinoids and exercise. British journal of sports medicine 38: 536-541.
  3. Dinoff A, Herrmann N, Swardfager W, Lanctot KL (2017). The effect of acute exercise on blood concentrations of brain-derived neurotrophic factor in healthy adults: a meta-analysis. The European journal of neuroscience 46: 1635-1646.
  4. Duclos M, Tabarin A (2016). Exercise and the Hypothalamo-Pituitary-Adrenal Axis. Frontiers of hormone research 47: 12-26.
  5. Duman RS (2005). Neurotrophic factors and regulation of mood: role of exercise, diet and metabolism. Neurobiology of aging 26 Suppl 1: 88-93.
  6. Fabel K, Fabel K, Tam B, Kaufer D, Baiker A, Simmons N, et al (2003). VEGF is necessary for exercise-induced adult hippocampal neurogenesis. The European journal of neuroscience 18: 2803-2812.
  7. Goto S, Radak Z, Nyakas C, Chung HY, Naito H, Takahashi R, et al (2004). Regular exercise: an effective means to reduce oxidative stress in old rats. Annals of the New York Academy of Sciences 1019: 471-474.
  8. Heijnen S, Hommel B, Kibele A, Colzato LS (2015). Neuromodulation of Aerobic Exercise-A Review. Frontiers in psychology 6: 1890.
  9. Mandyam CD, Wee S, Eisch AJ, Richardson HN, Koob GF (2007). Methamphetamine self-administration and voluntary exercise have opposing effects on medial prefrontal cortex gliogenesis. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience 27: 11442-11450.
  10. Mariga A, Mitre M, Chao MV (2017). Consequences of brain-derived neurotrophic factor withdrawal in CNS neurons and implications in disease. Neurobiology of disease 97: 73-79.
  11. Peters J, Dauvermann M, Mette C, Platen P, Franke J, Hinrichs T, et al (2009). Voxel-based morphometry reveals an association between aerobic capacity and grey matter density in the right anterior insula. Neuroscience 163: 1102-1108.
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  13. van Praag H (2008). Neurogenesis and exercise: past and future directions. Neuromolecular medicine 10: 128-140.
  14. Voss MW, Prakash RS, Erickson KI, Basak C, Chaddock L, Kim JS, et al (2010). Plasticity of brain networks in a randomized intervention trial of exercise training in older adults. Frontiers in aging neuroscience 2.
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