JKAOH Journal of Korean Academy of Oral Health

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J Korean Acad Oral Health 2023; 47(4): 197-201

Published online December 30, 2023 https://doi.org/10.11149/jkaoh.2023.47.4.197

Copyright © Journal of Korean Academy of Oral Health.

A case report of brain activity during mastication

Ji-Hye Kim1,2 , Hansol Lee3 , So-Yeun Kim4 , Sung Ho Jang5 , Yongmin Chang3,6,7 , Youn-Hee Choi1,2

1Department of Preventive Dentistry, School of Dentistry, Kyungpook National University,
2Institute for Translational Research in Dentistry, Kyungpook National University,
3Department of Medical & Biological Engineering, Kyungpook National University,
4Department of Prosthodontics, School of Dentistry, Kyungpook National University,
5Department of Physical Medicine and Rehabilitation, College of Medicine, Yeungnam University,
6Department of Radiology, Kyungpook National University Hospital,
7Department of Molecular Medicine, School of Medicine, Kyungpook National University, Daegu, Korea

Correspondence to:Youn-Hee Choi
Department of Preventive Dentistry, School of Dentistry, Kyungpook National University, 2177 Dalgubeol-daero, Jung-gu, Daegu 41940, Korea
Tel: +82-53-660-6871
Fax: +82-53-423-2947
E-mail: cyh1001@knu.ac.kr
https://orcid.org/0000-0001-5712-8097

Received: October 20, 2023; Revised: November 10, 2023; Accepted: November 20, 2023

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Objectives: The aim of this study was to evaluate brain activity in youth during chewing gum and wood stick using functional magnetic resonance imaging (fMRI).
Methods: Two participants chewed wax gums and wood stick on the rhythm of 1 Hz during MRI scanning. The task paradigm was a block design and each chewing-rest procedure was repeated five times for 30s.
Results: The brain regions activated during chewing gum and wood stick were the precentral gyrus, postcentral gyrus, supplementary motor area, thalamus cerebellum. The medial prefrontal cortex (mPFC), anterior cingulate cortex (ACC), hippocampus, and precuneus were additionally activated by mastication of the wood stick. Brain activation induced by chewing wood stick was higher than chewing gum.
Conclusions: Our results suggest that mastication contribute to cognitive improvement through brain activity, this effect is stronger during chewing wood than gum. Therefore, eating harder foods may improve cognitive function more effectively.

Keywords: Brain activity, Functional magnetic resonance imaging, Mastication

저작은 음식물을 분쇄하고 삼키는 것을 돕는 단순한 소화 행위를 넘어 뇌 기능에 상당한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다1). 다수의 연구들이 치아상실을 포함한 저작능력의 저하 시 급격한 인지기능 저하를 보고하였고2-4), 저작능력의 저하가 경도 기억장애와 치매의 잠재적인 위험요인으로 작용하는 것을 확인하였다5,6). 뿐만 아니라 저작은 학습, 기억, 주의력과 같은 인지기능의 유지 및 개선에 있어 긍정적인 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다7). Hirano 등8,9)은 저작이 여러 인지기능 중 특히 지속적인 주의력 향상에 도움을 주며, 작업 기억(working memory)과 주의력 및 인지 처리 속도를 향상시킨다고 주장하였다.

이처럼 저작과 인지의 상호관련성이 다수의 연구를 통해 증명되고 있지만 저작에 의한 뇌의 신경전달 회로(cerebral circuits)는 아직까지 명확히 밝혀지지 않아 이에 대한 기초 연구가 필요한 상황이다. 또한 앞서 발표된 대부분의 보고가 노인을 대상으로 한 연구이기 때문에 건강한 성인에 비해 저작근의 근력 약화와 잔존 치아수의 감소로 저작능력이 약화되어 중추신경계의 감각 수용기 활성화 역치에 제대로 도달하지 못하는 문제가 있을 수 있고10,11), 이로 인해 저작 시 뇌활성 영향을 명확하게 파악하는데 한계가 있다. 따라서 이번 연구에서는 젊은 성인을 대상으로 functional magnetic resonance imaging (fMRI)를 활용하여 저작 시 뇌의 활성화 영역을 확인하고자 한다.

fMRI는 공간 및 시간적 해상력이 좋고, 외부자극에 의한 뇌 혈류량의 변화를 평가함으로써 국소적인 뇌 활동의 분석이 가능하여 뇌 연구에 많이 활용되고 있다12,13). 구강보건분야에서는 이갈이(bruxism)와 이악물기(clenching) 시 뇌의 활성부위를 fMRI를 사용하여 확인한 바 있으나 자연스러운 저작 과정 중 뇌 활성을 확인한 연구는 거의 없다14,15). 이에 이 연구를 통해 건강한 대상자의 자연스러운 저작 과정에서 활성화되는 뇌영역에 대한 기초자료를 확립하고, 저작에 의한 뇌 신경 활성 분석 시 fMRI의 활용성을 검토하고자 한다.

1. 연구대상자

이 연구는 저작에 의한 뇌 신경 활성 분석을 위한 예비 연구로 연구의 목적과 방법에 대한 설명을 듣고 자발적으로 참여에 동의한 2명의 대학원생을 대상으로 하였다. 대상자는 신경질환 및 정신질환 이력이 없으며, 구강건강 상태가 양호한 만 24세 남성과 만 29세 여성이다. 연구에 앞서 ○○대학교치과병원 연구윤리심의위원회(Institutional review board; IRB)의 승인을 받았다 (KNUDH-2021-06- 09-02).

2. 연구방법

2.1. 연구재료

음식의 경도나 질감의 차이에 의해 저작 시 뇌에 전달되는 자극의 크기가 다를 수 있으므로 각기 특성이 다른 두 가지 재료, 파라핀 왁스 껌(gum, CAT 21 Buf Test, Morita Co., Japan)과 나무막대(wood stick, Tongue depressors, Daehan medical, Korea)를 준비하였다. 뇌 영상 촬영이 누워서 진행되므로 저작 시 재료가 기도로 넘어가는 것을 방지하기 위하여 재료에 치실을 묶어 대상자가 치실 한쪽 끝을 손으로 잡을 수 있도록 하였다.

2.2. 뇌영상 촬영 시 저작 업무

반듯하게 누운 자세에서 고정장치로 머리를 고정한 후 껌(gum)과 나무막대(wood stick)를 저작하여 뇌를 자극하였다. 저작은 각 재료 당 5분간 진행되었으며, 피험자들에게 동일한 움직임을 재현하도록 하기 위해 오른쪽 구치부로 1 Hz의 리듬에 맞춰 저작과 휴식을 30초씩 총 5회 구간 반복하도록 하였다(Fig. 1)16).

Figure 1. Chewing task.

2.3. fMRI 촬영

저작 시 뇌 활성 영역과 수준을 확인하기 위해 Table 1과 같은 과정으로 functional magnetic resonance imaging (fMRI)을 촬영하여 뇌 혈류량의 변화를 확인하였다. 뇌영역의 영상은 3.0T MRI 스캐너(GE healthcare, SIGNATM Architect)를 사용하여 획득한 후, T2*-weighted gradient 에코평면영상(echo planer imaging, EPI) 기법으로 기능적 이미지를 얻고, T1-weighted 3D brain volume imaging (BRAVO)를 사용하여 뇌 구조 영상을 획득하였다. 영상 획득 시 EPI 변수는 repetition time (TR)/echo time (TE)=2000/30 msec, flip angle (FA)=90°, field of view (FOV)=24 cm, matrix=64×64 이었고, BRAVO 변수는 TR=3.2 ms, TE=7.7 ms, FA=12도, FOV=25.6 cm, matrix=256×256이었다. 해부학적 분할 단계는 Computational Anatomy Toolbox (CAT12; //neuro-jena.github.io/cat/)를 사용하여 슬라이스 타이밍, 재정렬, 공동 등록, 분할, Montreal Neurological Institute (MNI) 공간으로의 정규화 및 공간 평활화(FWHM=6 mm) 과정으로 처리되었다. 모든 기능 영상은 고역통과필터를 사용하여 0.008 Hz 이하의 주파수 신호를 제거하고, 일반 선형 모델을 기반으로 개별 분석을 수행하였으며, 두 피험자가 껌 또는 나무막대 저작 시 공통으로 활성도를 보인 뇌 영역을 결정하였다 (uncorrected P<0.05). 껌 또는 나무막대의 저작에 대한 각각의 공통 활성영역 내에서 개별 영상들의 활성강도를 평균화하였다.

Table 1 . fMRI scanning sequences.

ContentsMin
1Localization2
2T1-weighted imaging5
3Task based fMRI imaging
Gum5
Wood stick5

껌 저작 시 두 대상자 모두 중심전회(precentral gyrus), 중심후회(postcentral gyrus), 보조 운동 영역(supplementary motor area), 시상(thalamus) 및 소뇌(cerebellum) 부위의 활성이 관찰되었다(Fig. 2).

Figure 2. Averaged map for individual brain activation during gum chewing (uncorrected P<0.05).

나무막대를 저작하는 경우에도 두 대상자 모두 껌 저작 시 활성화되었던 5가지 영역이 모두 활성화되었고, 껌 저작 시에는 관찰되지 않았던 내측 전두엽(medial prefrontal cortex, mPFC), 전측대상피질(anterior cingulate cortex, ACC), 해마(hippocampus), 쐐기앞소엽(precuneus) 영역의 활성도 관찰되었다(Fig. 3).

Figure 3. Averaged map for individual brain activation during wood stick chewing (uncorrected P<0.05).

또한 저작 재료에 따라 관찰된 영역의 뇌 활성 정도를 비교하였을 때 두 대상자 모두 모든 영역에서 껌 저작 시 보다 나무막대 저작 시 강하게 활성화되었다(Fig. 4).

Figure 4. Comparison of brain activation according to chewing material by fMRI.

젊은 성인을 대상으로 fMRI를 활용하여 저작 시 뇌의 활성화 영역을 확인한 결과, 저작 시 재료에 상관없이 중심전회(precentral gyrus), 중심후회(postcentral gyrus), 보조 운동 영역(supplementary motor area), 시상(thalamus) 및 소뇌(cerebellum)가 활성화되고 나무막대 저작 시 내측 전두엽(medial prefrontal cortex, mPFC), 전측대상피질(anterior cingulate cortex, ACC), 해마(hippocampus), 쐐기앞소엽(precuneus)이 추가로 활성화되었다. 껌과 나무막대 저작 시 활성화된 중심전회(precentral gyrus), 중심후회(postcentral gyrus), 보조 운동 영역(supplementary motor area), 소뇌(cerebellum)는 저작과 관련된 구강안면운동(orofacial movement)과 밀접한 관계가 있고, 시상(thalamus)은 운동중추의 한 축이면서 동시에 전두엽으로 연결된 뇌구조물로 인지기능을 전달하는 통로로 널리 알려져 있다17,18). 한편, 나무막대 저작 시 활성화된 내측 전두엽(medial prefrontal cortex, mPFC), 전측대상피질(anterior cingulate cortex, ACC), 쐐기앞소엽(precuneus) 부위는 인지 수행과 관련이 있다고 보고되고 있는데, 특히 전측대상피질은 작업행동변화에 관여함으로써 집중력 향상에 기여하고, 내측전두엽은 operation span task 시 작업기억능력과 관련이 있다17,18). 또한 두 영역은 저작 시 주의과정(attentional process)에도 기여하는 것으로 알려져 있으며8,9). 쐐기앞소엽의 경우 작업기억, 출처기억 및 자기참조 처리에 관여하고 있어8,9,19), 저작 시 인지 수행 능력 향상을 기대할 수 있다.

Takahashi 등20)은 껌의 경도에 따라 보조운동영역, 배외측 전전두피질, 상측두회, 하두정소엽에서 선택적 뇌 활성화가 나타나는 것을 확인하고, 이러한 영역이 저작 중 식품 경도의 변화와 관련된 감각 입력과 운동 출력을 연결하는 과정과 관련이 있을 수 있다고 보고한 바 있다. 이 연구에서도 동일 영역은 아니지만 나무막대 저작 시 선택적 뇌 활성이 관찰되었으며, 껌 저작 시 동일하게 활성화된 영역에서는 활성 강도에 차이를 보여, 재료의 강도에 따라 뇌활성 부위 및 강도에 차이가 있을 수 있음을 확인하였다.

이상의 결과를 통해 저작이 인지기능을 담당하는 뇌 영역의 공동 활성화를 통해 인지 개선에 기여함은 물론, 저작 시 재료가 단단할수록 더 효과적일 수 있음을 확인하였으며, 저작 시 뇌활성 부위와 강도를 확인하는데 fMRI가 유용한 방법이 될 수 있음을 증명하였다. 다수의 선행 연구들이 저작과 인지기능의 관련성을 보고하였지만, 대부분이 신경심리검사방법을 사용한 반면, 이 연구에서는 fMRI를 사용하여 뇌 활성 부위를 직접적으로 확인하였으며, 비록 사례연구이긴 하지만 구강보건분야에서 처음으로 한국인을 대상으로 연구하였다는 점에서 의미가 있다. 그러나 저작 시 fMRI 촬영을 위해 대상자들의 머리를 고정하고 턱을 작게 벌리도록 하였기 때문에 실제 음식물을 저작하는 환경과는 차이를 보일 수 있으며, 사례연구의 특성상 연구결과를 일반화하기 어려운 한계를 가지고 있다. 향후 이러한 제한점을 보완하여 다수 대상자의 데이터를 축적하고 구강상태가 양호한 20대 대상자 뿐만 아니라 노령인구에서도 동일한 결과가 나타나는지 확인한다면 저작 시 뇌의 활성여부를 보다 명확하게 파악할 수 있으리라 생각되며, 인지 저하를 가진 환자의 치료 시 저작 기능 개선이 유용한 치료방법 중 하나로 고려될 수 있을 것이다.

이 연구에서는 경도와 질감이 다른 껌과 나무막대 저작 시 뇌 활성 변화를 관찰하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 저작 시 재료에 상관없이 중심전회(precentral gyrus), 중심후회(postcentral gyrus), 보조 운동 영역(supplementary motor area), 시상(thalamus) 및 소뇌(cerebellum)가 활성화 되었다.

2. 내측 전두엽(medial prefrontal cortex, mPFC), 전측대상피질(anterior cingulate cortex, ACC), 해마(hippocampus), 쐐기앞소엽(precuneus) 영역의 활성은 나무막대 저작 시에만 관찰되었다.

3. 뇌영역의 활성 정도는 껌보다 나무막대 저작 시 더 강했다.

이상의 결과를 종합해 볼 때 저작은 인지 수행과 관련된 뇌 영역을 활성화하고, 저작 시 재료가 단단할수록 더 효과적으로 뇌를 활성화 시키는 것으로 판단된다.

This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (NRF-2021R1A2C2003160).

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