Background: Previous studies regarding effect of cigarette smoking and nicotine dependency on the subcortical brain has concentrated healthy, middle-aged adults with heavy smoking habits and has each concentrated on a single subcortical region to measure its role in a specific cognitive function. This study focuses to search for the effect cigarette smoking and degree of nicotine dependency has on the overall subcortical morphology in both the young general smokers and the young light smokers.
Methods: Healthy, young (24 $\pm$ 3 years of age) smokers (n = 20) and non-smokers (n = 21) were compared in 15 subcortical structures in volume and shape using images derived from 3 Tesla MRI. Additional comparison was conducted between light smokers (n = 19) and pure non-smokers (n = 20) whom were all selected from the original subjects. The association between left nucleus accumbens, right caudate nucleus subfields, right hippocampus subfields and clinical measures regarding smoking habits and degree of nicotine dependency was further examined.
Results: Smokers showed significant dentures in shape on the right head, right dorsal lateral body, and right tail of caudate nucleus compared to the non-smokers, while light smokers showed significant rise in shape of the left nucleus accumbens compared to the pure non-smokers. The volume of the lateral head to body region of the right caudate nucleus was negatively associated with pack-year. Multiple clinical measurements for smoking history and nicotine dependency showed positive association with right hippocampal fissure volume. Pack-year had negative association with right hippocampal tail and right hippocampal-amygdaloid transition region (HATA) volume. Pack-year also showed negative associative tendency with right whole hippocampal volume.
Conclusions: Light smokers are first more sensitive to change at the left nucleus accumbens. Change at the right caudate nucleus and right hippocampal shape and volume becomes more prominent as smoking habits worsen, although the change was not directly affected by smoking habits and nicotine dependency. It seems that the overall not significant yet subtle changes by cigarette smoking in the volumes of these subcortical areas cause the visible changes in shape. How change in left nucleus accumbens shape does not show correlation with any clinical measurements suggests that it is not the severity or longevity of nicotine dependence that causes the change but that nicotine exposure alone is suffice for the change. The different results derived from the two different group comparisons highlight the difference in nature of the different smoking habits and their subsequently different impacts on the brain. The subcortical areas that showed significant group difference and/or correlation with the clinical measures may be prime targets to be searched as signs of nicotine dependency development.
흡연이 유발하는 니코틴 의존증이 피질하부에 미치는 영향에 대해서 기존 연구들은 장기적인 흡연력을 지닌 중년층의 피험자들을 대상으로 피질하부 특정 영역과 피험자들의 기능적 변이의 상관을 살폈다. 본 연구는 니코틴에 영향을 받는다고 알려진 보상 회로와 기억력에 각각 큰 역할을 하는 중격핵과 미상핵, 해마에 병변이 관찰될 것이라는 가설 하에 현실적 흡연군과 가벼운 흡연군, 금연자에게 니코틴 의존증 심각도가 전반적 피질하부 형태에 미치는 영향을 보고자 했다.
20대의 건강한 한국인 성인 남성을 대상으로 19명의 흡연자와 20명의 비흡연자를 모집하였다. 흡연자들 중 18명을 담배소비량에 따라 가벼운 흡연자로 규정하고, 비흡연자들에서 2년 동안 금연한 금연자를 제외시켜 순수 비흡연자로 규정했다. 피험자들의 뇌를 3T자기공명영상으로 촬영한 뒤, 촬영물의 피질하부를 15개의 하위 영역으로 분할하여 각 영역의 모양과 부피를 계산하고 이를 집단간 비교해보았다. 나아가 우측 미상핵과 우측 해마를 세부 분할하여 각 영역들의 부피를 집단간 비교 및 니코틴 의존증 심각도를 나타내는 임상적 점수들과의 상관성을 살펴보았다.
흡연자들은 비흡연자들보다 우측 미상핵의 등쪽 머리, 등쪽 몸통, 등쪽 꼬리 영역에서 모양에 있어 찌그러짐을 보였다. 다만 그 어느 피질하부 영역도 흡연군과 비흡연군 간의 집단적 차이를 보이지 않았다. 더불어 모양 변화를 보인 영역들은 임상적 점수들과 유의한 상관을 보이지 않았다. 세부 분할된 우측 미상핵 중 머리에서 몸통으로 이어지며 앞면 주의 네트워크를 관장하는 피질과 상관성이 높다고 알려진 영역의 부피는 담배소비량과 부적 상관관계를 보였다. 또한 세부 분할된 우측 해마의 영역 중 해마 횡열이 담배소비량과 니코틴 의존증 척도와 정적 상관관계를 보였으며, 우측 해마 꼬리와 해마-편도 전환 영역은 담배소비량과 부적 상관관계를 보였다. 우측 해마의 전체 부피는 담배소비량과 부정 상관을 갖는 경향을 보였다. 한편, 가벼운 흡연자들은 순수 비흡연자들보다 좌측 중격핵에서 모양의 확장을 보였다. 집단 간 피질하부의 부피 차이는 관찰되지 않았으며 임상적 점수들과의 유의한 상관을 보이는 영역도 존재하지 않았다.
흡연은 초기 단계에서 우측 미상핵의 모양과 부피에 영향을 미치는 것으로 생각된다. 미상핵은 흡연 및 니코틴 의존에 중요한 역할을 한다고 알려진 보상 회로 상에 존재하는 피질하부 영역이기에 이 영역의 변화는 쉽게 설명될 수 있었다. 비록 우측 미상핵의 모양만이 두 집단간 유의한 차이를 보였지만 임상적 점수들과 유의한 상관을 보이지 않은 것으로 보아 모양 변화는 니코틴의 직접적 영향을 받는다기보다는 니코틴의 직접적 영향을 받은 부피의 미세한 변화로부터 이차적으로 파생된 변화라고 볼 수 있을 것이다. 이들의 부피는 집단간 차이로 이어질 정도로 아직 뚜렷하지는 않으나 니코틴에 영향은 받고 있으며 이는 담배소비량과 부적 관계를 보인 미상핵의 세부 영역으로부터 유추할 수 있다. 해마 역시도 집단간 차이를 보이지는 않았으나 해마의 세부 영역들 부피가 임상적 점수들과 상관관계를 보였기 때문에 해마가 니코틴 의존증의 심각성이 증가함에 따라 부피적 감소를 점차적으로 보일 것이라고 예견할 수 있다. 기존 연구에서 흡연자들이 금연 시 기억력 감소를 보인다는 결과에 따라 이러한 변화 역시도 쉽게 이해될 수 있다.
한편, 가벼운 흡연자는 순수 비흡연자들보다 중격핵의 후미 영역에서 모양의 증가를 보였다. 부피적 유의한 증가가 관찰되지 않은 것으로 보아 중격핵의 형태 변화 역시도 위의 미상핵과 같이 전반적이고 세말해 집단 간의 유의한 차이로까지 관찰되지 못한 부피 변화가 형태의 변화로서 이차적으로 모습을 드러낸 것이라 해석할 수 있겠다. 다만 중격핵은 모양도 부피도 임상적 점수와 상관성을 보이지 않았기 때문에 중격핵에서의 변화는 임상적 심각도와는 관계 없이 흡연의 유무만으로도 변화가 도출되는 것으로 추측할 수 있겠다.
흡연자와 비흡연자, 그리고 가벼운 흡연자와 순수 비흡연자들을 비교했을 때 결과에서의 차이가 발생한 이유는 비흡연자 내에 포함되어있던 금연자에게 있다고 볼 수 있다. 가벼운 흡연자로 분류되지 못한 한 명의 흡연자는 담배소비량에서 다른 흡연자와 차이가 큰 것 외에 임상적 점수와 전반적인 뇌의 부피 및 형태는 크게 차이가 나지 않았다. 한 편 금연자는 순수 비흡연자에 비해 뇌의 형태와 미상핵의 형태가 상위권에 속해있었다. 적은 피험자 수를 미루어보아 단일 피험자가 제공하는 값은 큰 변화를 야기할 정도의 영향을 미칠 수 있다고 보았을 때, 금연자의 성질이 두 연구간의 차이를 야기했다고 해석할 수 있다. 본 연구는 추후 니코틴 의존증의 양상이 시작되었다는 진단을 내리기 위한 피질하위 영역들을 규정하는데 참고될 수 있다.
