증식 속도가 빠른 세포에서 방사선 유발 세포 사멸이 강하게 발현한다는 방사선 생물학의 일반적인 개념은 오랜 기간 동안 저선량 방사선(low-dose radiation)의 중추신경계에 대한 영향을 간과하는 결과를 낳았다[1]. 기존 개념을 뒷받침하는 일련의 연구결과들에 따르면, 혈액이나 면역 조직은 비교적 낮은 방사선량(<6 Gy)에 의해서도 손상이 되는 반면, 뇌신경 혈관의 경우에는 방사선 노출량이 30 Gy 이상이 되어서야 관련 이상 증상이 관찰됨으로써, 뇌를 중심으로 한 중추신경계는 다른 기관에 비해 방사선 노출에 둔감한 영역으로 간주되어 왔다[2]. 하지만, 최근 방사선 연구들은 생리의학 및 종양 제거를 위한 연구에서 높은 방사선량으로 야기된 저선량 방사선의 인지기능에 대한 영향에 주목하고 있으며, 이는 미국 항공우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)의 장거리 우주탐사 계획과도 밀접한 관련이 있다.

초기 NASA가 행성 간 장기 탐사 임무를 계획했을 때부터 심우주 방사선(galactic cosmic rays, GCR)에 의해 야기되는 암, 심혈관 및 인지기능에 관한 건강 및 안전 평가가 수행되어 왔으며, 이를 토대로 의료 목적을 위한 방사선의 부작용 연구 또한 저선량 방사선의 영향을 이해하는 방향으로 확대되어 오고 있다. 한편, 장기간 우주환경에서 예상되는 방사선량이 화성탐사의 경우 약 300 mGy로 전통적인 방사선학적 뇌 손상 수준(약 60 Gy)에 비해 현저히 낮은 점은 저선량 방사선으로 야기된 뇌 인지기능 변화에 대한 논란을 일으키며, 관련 연구 결과들도 방사선 노출 시 피복 대상의 성장단계, 노출 시간 및 경과 시간, 개체 간의 차이에 따른 방사선의 영향이 달라짐으로써 신뢰할 수준의 저선량 방사선의 영향을 도출하는 데 한계를 보이고 있다[3]. 이러한 이유로 최근 연구에서는 저선량 우주 방사선에 의한 뇌 기능적 영향에 대한 새로운 관점이 필요함을 시사하기도 했다[4].

그럼에도 저선량 방사선은 심각한 형태적 변화 없이 다양한 인지 장애 및 결핍을 유발한다는 결과들이 지속적으로 보고되고 있으며[5,6], 저선량 방사선의 조사 후에 나타나는 중추신경계의 전기 생리학적 및 생화학적 변화와 관련 행동반응들은 저선량 방사선에 의한 신경전달 과정으로 야기되는 영향을 암시한다[2]. 비록 저선량의 노출이지만 GCR과 같은 높은 에너지를 가지는 방사선의 경우에는 신체 조직에 이온화의 흔적을 남기는 것으로 알려져 있다[7]. 신체에서의 이온화 현상은 다양한 분자적 손상을 통해 세포들과 회복력에 대한 생리학적 과정 손상과 지연을 야기하며, 이러한 과정을 통해 세포 손상의 범위와 양이 증가된다고 알려져 있다[8,9]. 특히, 우주공간의 체류로 인해 인체에 노출되는 방사선량(^<100 mGy/year)은 크지 않음을 감안할 때, 우주 방사선 연구는 저선량 방사선에 대한 이해를 목표로 진행될 것으로 예상된다(Fig. 1).

1. 인지기능에 대한 상반된 저선량 방사선의 영향

저선량 방사선에 의한 호메시스(hormesis) 효과는 고선량 방사선에서는 나타나지 않는 영향으로, 전통적인 방사선 영향과 가장 상반되는 이론적 개념이다[10]. 일반적으로 방사선 노출은 암 발생률을 증가시키고, 세포 성장 및 보호, 면역기능 개선과 같은 호르몬의 기능을 감소시키는 것으로 알려져 있으나, 저선량 방사선(<100 mGy)에 대한 노출은 오히려 자연암 위험을 감소시킨다는 결과들이 있다[11-13]. 이는 저선량 방사선으로 발생한 세포 반응이 호메시스 및 세포 증식을 유도하지만, 암세포에는 관여하지 않는다는 것을 의미하며[14-16], 저선량 방사선을 이용한 정상 세포와 암세포의 반응 차이에 대한 연구에서도 유사한 결과가 보고되었다[17-19]. 또한, 해당 연구에 따르면, 저선량 감마선에 대한 노출은 DNA 복구에 관여하는 단백질 수준의 향상을 유도하는 것으로 나타났다[19]. 이와 함께, 저선량 방사선은 특정 단백질(Rapidly accelerated fibrosarcoma 혹은 AK mouse+transforming)의 신호 전달 경로의 활성화를 통해 세포 증식을 촉진한다는 결과도 보고되었으며[20,21], 저선량 방사선에 의한 세포 보호 기능 개선[22]과 이로 인해 발생된 세포 사멸 조절[23]을 통해 섬유아세포에서의 세포 주기 과정이 중지되기도 하였다. 다양한 세포의 저선량 방사선에 의한 호메시스 효과연구와 더불어 세포의 자기 방어적 반응[24], 저선량에서 유도되는 방사선 저항 [25,26], 방사선의 유해한 영향을 최소화하기 위한 방관자 효과[27,28] 및 게놈 불안정성[29,30]과의 상관성은 저선량 방사선으로 야기되는 뇌 기능의 상반되는 변화들을 이해함에 있어 주요한 연구분야가 될 것으로 기대된다.

2. 저선량 방사선의 인간 인지기능에 대한 연구

인간을 대상으로 하는 저선량 방사선이 뇌의 인지기능과 연관되어 있다는 연구자료는 매우 제한적이다. 하지만, 방사선 노출 후에 나타나는 학습과 관련한 일련의 성취 기반의 연구들은 인지기능과의 상관성을 간접적으로 확인하는 연구내용들이다. 유아기(<18개월)에 방사선을 통한 혈관종 치료를 받은 집단(2,211명)을 대상으로 진행된 인지기능에 대한 추적 분석연구에 따르면, 일정 방사선량(100 mGy)에 초과 노출된 그룹의 경우 고등학교 진학률과 출석률에서 유의미한 감소가 나타났으며, 이러한 결과는 전두엽 부위에 대한 방사선 노출로 인한 상관성이 뇌의 후면부에 대한 노출에 비해 상대적으로 더 높다는 결과를 보였다[31]. 비록 실험상의 최저 선량에 노출된 두 그룹(1–20 mGy vs. 20–100 mGy) 사이에서는 일관된 차이점이 나타나지 않았지만, 실험상 저선량으로 간주되는 실험군(100 mGy–1 Gy)에서는 50%의 진학률 감소가 나타났으며, 매 50 mGy의 선량 증가마다 11%–14%의 진학률의 감소가 확인되었다[31].

체르노빌과 후쿠시마에서 발생한 원전 사고는 2차 방사선 노출로 야기된 저선량 방사선에 의한 인간의 인지기능에 대한 영향을 보여주는 재해들이다. 먼저, 체르노빌 원전사고(우크라이나, 1985년)의 경우, 해당 지역(우크라이나)은 물론이고 주변국들(발칸반도, 오스트리아, 독일 등)도 많은 양의 방사성 물질(세슘, 스트론튬, 요오드 등)들이 낙진을 통해 저선량 방사선의 형태로 전파된 것으로 알려져 있다[32]. 독일에서 진행된 총 8개의 테스트(수학적 능력, 읽기 능력, 과학적 능력, 듣기 이해력, 정보 통신 활용 능력, 읽기 속도, 지각 속도 및 추론)로 구성된 인지 능력 측정 실험은 저선량 방사선에 노출되고 25년이 지난 시점에서 기능적 장애가 발생했음을 보여 주었으며, 이때 노출된 추정량은 대략 파노라마 치과 엑스레이 66장, 흉부 엑스레이 6장 혹은 유방촬영 1.65장 분량에 해당하는 약 0.66 mSv로 예측되었다[32]. 비록, 통계적 유의성은 수학 및 읽기 속도에서만 확인되었으나 절대적인 수치상의 결과들은 학습능력의 저하를 보여 주었으며, 이를 통해 저선량 방사선이 인지기능을 감소시킨다는 사실을 확인하였다. 후쿠시마 원전사고(일본, 2011년)의 경우, 인지기능 변화에 대한 수치적인 테스트에 기반한 연구보다는 감정 변화에 기반한 간접적인 영향과 신경질환 발생을 측정하는 연구가 진행되었으며, 이를 통해 노출 초기단계(재해 후 1–2년 경과)에서는 과잉행동, 충동성, 과민성, 탈억제, 공격성 등의 감정이 크게 증가함을 확인하였다. 이후, 재난의 후기단계(재난 후 3–4년 경과)에 이르러서는 정신질환을 비롯하여 신규 치매 환자수가 크게 증가함으로써, 원자력 재해로 야기된 저선량 방사선에 의한 영향을 확인하였다[33]. 이와 함께, 노출된 방사선량이 기본 수백 mGy에 해당하는 히로시마와 나가사키 원폭 피해 생존자들의 인지기능에서도 유의미한 기능적 감소가 나타남으로써, 저선량 방사선에 의한 인지기능 감소는 높은 인과관계를 보이는 것으로 간주되고 있다[34].

일련의 역사적인 방사선 관련 사고 이후에 나타나는 희생자들의 기능적 변화에 대한 연구들을 통해 저선량 방사선에 의한 인간 인지기능에 대한 영향이 간접적으로 확인되었으나, 이러한 추적 관찰을 통한 실험방법은 기술적으로나 시간적으로 한계점을 가진다. 이에 반해, 설치류를 중심으로 한 실험동물의 인지행동반응 실험 및 관련 뇌 영역에 대한 분자생물학적 연구는 저선량 방사선의 인지기능에 대한 영향을 보다 객관적으로 이해하는 데 있어 주요한 연구 방법들이다.

3. 저선량 방사선을 이용한 동물의 인지반응 및 관련 분자 변화연구

방사선 노출에 의한 동물의 인지행동반응은 다양한 측정 방법의 개발과 함께 연구가 진행되어 왔다. 개방 현장 테스트, Y자형 및 높은 고도의 미로 장치 등의 측정 장치들은 동물의 자발적 탐구행동, 스트레스 및 불안 수준과 같은 정서적 행동 기능에 대한 수치적 측정을 통해 인지기능에 대한 객관적 평가가 가능하다. 하지만, 동물을 이용한 저선량 방사선 관련 연구들 또한 상반된 결과들을 보여준다. 일부 선행연구에 따르면, 저선량 방사선에 노출된 동물의 경우 해당 측정 실험에서는 기능적 차이를 보이지 않았으며, 생화학적 분석과 기능상에서 유의미한 차이를 유도하기 위해서는 최소 1 Gy의 선량이 필요한 것으로 나타났다[2]. 방사선 조사 후 7일이 경과한 시점에서의 신경전달물질인 세로토닌 변화 또한 최소 선량에서 유의한 변화를 보였으며, 뇌 조직(해마, 편도체)에서는 변화가 나타난 반면 혈액에서는 관련 신경전달물질의 변화가 확인되지 않았다. 이에 반해, 개방 현장 테스트, 음향 놀람 및 사회적 차별 테스트를 기반으로 대조군을 포함한 4가지의 방사선(0, 63, 125, 500 mGy)에 대한 노출 그룹을 시간적 차이(4–18개월)를 두고 측정한 결과, 12개월 이후에 이동거리 및 속도에 있어서 대조군과 실험군 사이의 유의미한 차이가 확인되었다[35]. 하지만 방사선 노출 이후에 해마의 미세아교세포와 성상교세포에서는 방사선에 의한 염증반응 변화가 확인되었으나, 이로 인한 세포량 증감 측면에서의 일관된 변화는 확인되지 않았다. 이외에도, 새로운 물체 인지를 이용한 자발적인 탐색 작업과 관련된 동물의 인지기능에 대한 실험을 통해, 특정 이온화 물질(티타늄, 30 cGy)에 의한 저선량 방사선에서 유의미한 결과가 도출되었으며, 해당 방사선에 노출된 동물의 주의 집중 변환 작업(attentional set shifting task)을 통해 동물의 인지 유연성과 자극에 대한 반응 속도를 평가하여 저선량 방사선으로 인한 인지기능의 변화를 확인하였음이 보고되었다[36]. 인지기능의 변화는 운동기능의 감소와 동반하여 발생되는 경우도 있었으나, 기능저하 발생 시점은 방사선 종류 및 강도 등에 따라 상이하게 나타나는 것으로 알려져 있다. 특히, 연구는 방사선에 의해 내측전전두엽에서의 신경 수상돌기의 구조적 복잡성이 감소함을 확인하였으며, 이러한 신경세포 수에 대한 변화는 모든 방사선 노출에서 확인되었다.

이온화 방사선과 함께, 2차 우주 방사선 입자를 이용한 인지기능 연구도 진행되고 있다. 일반적으로 우주 방사선이 지구 대기로 유입되며 산소, 질소 및 아르곤 등과의 충돌에 의해 발생되는 것으로 알려진 2차 우주 방사선 입자들(파이온, 전자, 양성자, 중성자 및 광자)은 지구상에서 자연환경 인자로 인식되는 입자들이나, 이들에 대한 지속적인 노출은 저선량 방사선에 대한 노출과 유사한 인지기능에서의 변화를 초래한다. 하루 약 1 mGy의 중성자를 180일에 걸쳐 조사받은 동물(실험용 쥐)을 이용한 실험에 따르면, 사회적 상호작용 및 사회적 회피 행동이 중성자에 조사된 동물들에서 더 강하게 나타났으나, 사회적 상호작용에는 대조군과 비슷한 시간을 소비하는 것으로 나타났다[37]. 또한, 새로운 물체 탐색과 관련된 실험에서 운동이나 탐색 행동에 있어서의 특이점은 관찰되지 않았으나, 물체의 특정 위치를 인지 및 기억하는 테스트에서는 장기간의 중성자 노출이 저선량에 의해서도 인지기능에 영향을 준 것으로 나타났다. 이와 더불어, 과거 우주 방사선 노출로 인한 해마에서의 영향 측정 방법인 신경세포의 형태 붕괴, 내재적 흥분성 및 시냅스 신호 전달 특성에 대한 측정을 통해 장기간의 저선량 중성자 노출이 해마에서의 흥분성 신경반응을 억제한다는 결과를 확인하였으며[37], 이는 기존 연구들에서 확인한 만성적인 방사선 노출이 해마 신경의 흥분성을 감소시키고 이를 통해 흥분성 시냅스의 입력 빈도를 억제함으로써, 최종적으로는 해마의 기능적 감소를 유발하는 것으로 확인되었다[37]. 이에 반해, 저선량 양성자 노출을 이용한 새로운 물체 탐색 실험은 고선량에 비해 저선량에서 기능 감소와 관련된 더 부정적인 결과를 나타냄으로써, 저선량 양성자 노출이 인지기능에 더 강한 영향을 유발하는 것으로 나타났다[38]. 또한, 양성자 노출은 미토콘드리아의 역학적 교란을 야기함으로써, 세포의 기능 감소에 영향을 주는 것으로 알려져 있으나, 뇌 영역에 특정된 미토콘드리아 역학에 따르면 200 mGy 양성자 조사 후에 미토콘드리아의 복합체 융합이 강화된 반면[39], 특정 미토콘드리아 복합체의 발현 감소는 100 mGy 방사선 조사 후에 발생하였다[40].

앞선 연구 사례들에서 나타난 것처럼, 저선량 방사선에 의한 인지기능의 영향은 다양한 변화인자에 의해 결정되며, 경우에 따라서는 동일한 수준의 방사선량에서도 인지기능 관련 테스트에서 상반되는 결과가 도출되기도 했다[41-43]. 또한, 행동반응의 변화와 함께 진행된 인지 관련 분자생물학 실험의 결과 또한 뇌 영역 및 세포, 신경전달물질과 같은 특정 단백질에서 일관된 결과가 도출되지 않고 있다는 점에서 보다 더 많은 관련 연구결과의 축적이 필요한 것으로 보인다.

저선량 방사선 노출이 뇌를 중심으로 하는 중추신경계에 미치는 영향과 이로 인해 인지기능 감소에 관련된 현재까지의 연구 결과는 여전히 제한적이며 논쟁적인 결과를 나타낸다. 하지만 의료적 목적을 위해 증가하는 고선량 방사선 사용과 방사선 사고로 야기되는 인지기능 감소는 저선량 방사선과 인지기능 변화 사이의 상관성을 의미하며, 이는 기존 방사선 생물학에서 주장해온 방사선에 대한 중추신경계의 낮은 민감도에 대한 재고가 필요함을 제시한다. 특히 오늘날 인류의 최대 도전과제인 우주탐사 기간의 확대로 인해 저선량 방사선에 대한 노출기간이 증가하고, 이로 인해 발생하는 뇌 기능적 변화에 대한 실험적 관심은 매우 높은 상황이다. 따라서 저선량 방사선에 의한 지속적 자극과 인지기능 감소 사이의 상관성에 대한 일관된 결과의 도출은 연구 결과물로서는 물론이며 향후 우주탐사라는 인류 도전과제를 해결하는 데 있어서도 실질적 근거가 될 것이다. 본 리뷰에서는 인간과 동물을 이용한 다양한 인지기능에 대한 연구 결과들을 통해 현재까지 밝혀진 저선량 방사선의 인지기능에 대한 영향을 확인하고자 하였다. 또한 발표된 연구들에서 나타나는 상호 불일치적 결과들을 제시하고 이와 관련된 가능한 원인에 대한 논의도 진행하였다. 이를 통해 기존 저선량 방사선과 인지기능상에서 과소평가된 부분을 확인하고 이를 해결하기 위한 가능한 연구방향을 제시함으로써 향후 해당 연구와 관련된 모호성을 극복하고자 하였다.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

본 연구는 교육부 산하 한국연구재단 기초과학연구사업과 보건산업진흥원 글로벌 협력지원사업의 지원을 받아 수행됨(2018R1A6A1A03025523 & RS-2023-00266209).

None.

Conceptualization: GK. Data curation: GK. Analysis and interpretation: GK. Writing the original draft: GK. Critical revision of the article: GK, KSK. Final approval of the article: KSK. Overall responsibility: KSK.