30년동안 복잡계 이론을 통한 다양한 연구들이 진행되어 왔다. 최근에 들어서 정신의학 신경과학자들이 정신분열증과 같은 정신질환에 비선형 방법을 적용하기 시작했다. 이러한 적용은 정신분열증의 복잡한 유전적 구조 수준과 칼슘 채널 동력학에서부터 증상적, 행동적, 그리고 기능적 output 산출,출력에 이르기까지 다양하게 연관되어 있다. 정신분열증을 연구하기 위한 이러한 방법의 적용은 변화된 연속적 또는 일시적(시간적, temporal) 구조가 이 질환의 핵심이라는 일반적인 가설과 일치하는 결과를 보이고 있다. 특히 저자는 정신분열증의 일시적(시간적, temporal) 구조가 무작위적 사건과 교대로 일어나는 복잡한 비선형 현상의 돌출에 의해 특징지어짐을 제안하고 있다. 분자적(칼슘 채널의 활성) 현상에서 molar(증상수준)현상에 이르기 까지 비선형계 방법을 통해 이러한 패턴을 분석하는 것은 정신분열증의 신경 수준에서의 활성, 병태 생리, 질병의 경과, 치료, 결과에 이르기까지 일시적 그리고 지속적인 복잡한 변화를 이해하는데 있어 새로운 접근 방법을 제공해주고 있다.
지난 30년간 비선형계의 연구는 생물학 체계와 물리학 체계가 시간에 따라 진화하는 방식을 연구하고 특징화하는 데 있어 주목할 만한 새로운 통찰을 제시하였다. ----------
이러한 통찰 가운데는 시간에 따라 무작위적으로 나타나는 일련의 사건들이 놀라울 정도로 단순하게 내재되어 있는 규칙에 근거한 체계로부터 비롯될 수 있다는 것이다.----------
예를 들면 알바트로스의 무작위적으로 나타나는 연속적인 비행 패턴이 실제로 지구의 기하학과 먹이를 찾기 위한 새의 본능적 욕동에 기초한 규칙적 패턴에 의해 특징지어질 수 있다. ------ 연속적 패턴의 이러한 종류의 수학적 특징은 심장박동의 변화, DNA coding sequence와 같은 미세 수준에서 대형 회사에서의 정보의 흐름과 추상적인 신경망 모델과 같은 거대 수준까지 다양한 체계에서 나타나고 있다.------------------ 무작위적으로 보이는 현상을 이끌어 내는데 있어 그 현상에 매우 단순한 체계가 내재되어 있고 깊은 상관성이 있다는 놀라운 결과는 수학적, 이론적 그리고 물리적 계의 연구에서 함축하고 있는 것에 대해 잘 정리되어 있다.----------- 이러한 비선형 접근에서 발전된 방법과 기술은 정신분열증과 정동 장애와 같은-----------신경정신과적 현상을 포함하여 현재 많은 많은 생물학, 신경 생물학 계에 적용되고 있다.-------
Bleuler 1950는 정신분열증의 중요한 특징의 하나로 연상의 와해를 제시하였다. 정신분열증 환자에서의 사고와 행동의 복잡하고 무작위적으로 보이는 패턴이 주어졌을 때 시간에 따라 비선형계의 진화를 정량화하기 위한 비선형 동력학에서 비롯된 방법이 정신분열증을 이해하는데 유용할 수 있는지를 질문하는 것은 합리적인 것 처럼 보인다. 비선형성 그리고 복잡계 이론의 copelling idea(주목할 만한 생각)은 정신분열증에 적용했을 때 놀라운 face validity를 가진다. WCST에서의 고정화처럼 이러한 질환을 가진 환자에서 복잡하고 조절되지 않는 신경 인지는-----------전반적으로는 고정되어 있지 않고 와해되어 있는 것 처럼 보이는 환자의 행동과 인지의 다른 측면과 연관되어 있다.----------- 신경망에서 증상, 사회적 행동과 같은 다차원 수준에서 사건은 연속된 관찰기간 동안 복잡하게 보이나 규칙과 연관된 방식으로 조직화되어 있다.----- 일시적(시간적) 연속적 결맞음 구조는 시공간을 가로질러 사건의 패턴을 결정하는 규칙으로 부터 출현한다.(행동의 순서 그리고 일련의 행동사이의 연관성) 복잡계 이론으로 부터 기원한 비선형 방법은 우리에게 일시적(시간적) 구조를 정량화 하게 해주는 도구를 제공하고 정신분열증과 정신과적 질환에 내재되어 있는 질병 과정을 이해하도록 도와줄 수 있다.------------
비선형계 접근에는 시간 또는 공간에서의 일련의 관찰이 복잡하게 보일 수 있음에도 불구하고 내재된 단순한 생성자가 이러한 행동을 초래(drive, 조정, 몰고감)할 수 있다는 가정이 내재되어 있다. 이처럼 이러한 현상들의 시간적 또는 공간적 양상(본질, nature)이 행동의 규칙에 의하지 않는 무작위적 양상과는 달리 정량화 할 수 있는 규칙에 기초하고 있다. 초기 연구는 체계가 복잡한지(작은 건드림에 고도로 민감한 복잡하지만 규칙적인 행동임을 보여주는) 또는 완전히 무작위적인지 를 검증하는데 집중되어 있었다. -------------- 수학적으로 비선형계는 입력이 출력과 반드시 비례적이지 않다는 관찰에 의해 특징되어 진다. 즉 증가된 입력이 반드시 비례적으로 증가된 출력을 이끌어내지 못한다는 것이다. 복잡한 동력학적 체계는 규칙적이나 초기 조건에 예민한 민감성성에 의해 특징되어 진다. 이러한 초기 조건에는 민감성은 처음의 유사한 행동들이 시간의 경과에 따라 행동 패턴의 놀랄만한 발산(divergence)으로 진화한다는 관찰을 이끈다. 따라서 입력에서의 작은 차이가 출력에서의 전반적으로 다른 결과를 초래할 수 있다. 이러한 변화된 입력 출력 관계는 정신분열증에서 과 자극 또는 감각 과부하--------가 역설적으로 음성증상, fixity(고정화), 긴장증과 연관될 수 있다는 발견에 의해 실증된다.
그러나 규칙적인 사건과 무작위적 사건 사이의 엄격한 구별은 많은 생물계가 복잡하나 규칙에 의해 추동되는 요소들과 제한된 무작위성--------으로 묘사되는 무작위적 요소 양자가 동시에 발생하는 수반하는 혼합 상태를(admixture) 보여주기 때문에 허수아비로 입증될 수 있다. 더욱 중요한 것에서 조차도 새로운 동력학적 특징이 무작위적 변동과 내재된 비선형 동력학 사이에 상호작용으로부터 출현할 수 있다. 예를 들면 계와 연관이 없는 무작위적 사건 즉 소음은 질병의 기간을 늘리거나 줄이도록 기분 진폭,변화(mood swings) 고유의 비선형 동력학을 변화시킬 수 있다.------------ 정동장애의 장기적인 페턴을 정량화 하면서 Huber 등은--------- 무작위적 사건이 역동적 행동의 스펙트럼을 증가시키고 약한 활성화에 대한 반응성을 강화시키고 비주기적 패턴의 발생을 촉진할 수 있음을 보고 하였다. 또 다른 연구자들은 정보처리의 특징이 비선형 틀로 이해될수 있다는(viewd) 가설을 만들고 알콜 중독으로 인해 신경망 정보처리 과정의 비선형 구속성(nonlinear constrained neuronal processing)에 무작위성이 나타나게 introduce한다고 제시하였다.------------ detrended fluctuation analysis----, unstable period orbit analysis-----, 또는 소음 감소 법(noise reductionmethods)----와 같은 방법을 포함하여 현재 다양한 접근이 기본적인 비선형 결정론적 골격skeleton을 연구하기 위해 이용되고 있다. 이러한 방법의 적용은 비선형 또는 카오스 기전이 시간 또는 공간에서의 복잡한 일련의 관찰에서 어느 정도로 작동하는지를 정량화하게 해준다.
인간 질병에 비선형 방법의 적용
심장학으로부터의 전형적인 예를 들어보자. 심장박동의 변이성(variability)은 적당한 전기적 입력조차 심장 비분극화(탈극화)의 예민한 시기동안 나타난다면 갑작스런 심장사와 부정맥으로 전환을 예측하는데 시용되어질 수 있는 복잡한 비선형 패턴임을 보여준다.------보다 전반적인 수준에서 전염병인 홍역의 유행병학은 예측할 수 있는 그러나 무작위적으로 보이는 시간적 패턴을 따른다. 부갑상선 호르몬의 분비----, 신경발화 양상----, 뇌파 기록----을 포함하여 이러한 무작위적으로 보이는 현상은 비선형 동력학 계 방법을 사용하여 성공적으로 분류되고 분석될 수 있는 시간적 신호를 발생한다. 비선형계 분석의 적용은 내재되어 있는 유전적 현상과 연관 될 수 있는 정량화할 수 있는 현상을 yield 산출할 수 있다. 예를 들면 낮은 뇌파 끌개 차원은 가족력이 있는 알콜 의존 대상군에서 발견되나 가족력이 없는 경우에는 발견되지 않았다.---------- 이러한 결과는 가까운 장래에 생물계의 시간적 영역(temporal domain)에 대한 주의깊은 특징화가 내재된 생물학적 기질(substrate)의 기능과 기능 손상에 대한 중요한 통찰을 제공할 수 있으리라는 생각과 일치한다. 이러한 개념적 틀안에서 뇌-행동 연관성을 정량화 하는 평균적 척도(mesure)는 중요하지만 사건의 순서(sequence)와 timing(시기를 맞추는 것)은 뇌-행동의 연관성을 이해하는데 있어서 차별적이고 중요한 정보를 제공한다.
비선형, 복잡계 이론에 기초한 접근이 왜 심장학과 같은 다른 학문과 비교할 때 정신의학 신경과학의 영역을 발전시키지 못했을 까? ----- 이러한 질문에 몇가지 대답이 있다. 첫 째 비선형 동력학의 방법과 기술은 익숙하지 못한 전문 용어에 의해 베일에 싸여 있고 정신의학 신경과학에서의 많은 연구자들에게 익숙하지 않은 진보된 수학적 접근방식에 기초하고 있다. 둘 째 비선형 동력학의 영역에서 연구자들이 취하고 있는 접근방식은 복잡계-----의 중시적(mesoscopic-중간 차원의 묘사) 관점(view)을 위한 정량적 틀을 발전시키는 것이다. 이러한 중시적 시각(view)은 계의 행동 양상이 거대한 시 공간적 규모(심장 발작)에서 보여지는 거대 사건(macro event)을 산출하는 고도로 상호작용하는 분자적 수준 또는 분자 이하 수준에서의 과정(미시 순환에서의 칼슘 채널에서의 개폐-----)의 창발하는 특징으로 이해되어 질 수 있다. 지난 10년간 신경 과학적, 유전학적, 분자 생물학적 혁명은 신경정신과적 질환에 대한 연구로 점진적으로 분자적 그리고 분자 이하의 규모로 집중하게 했다. 모델을 구성하고 더 큰 규모의 행동을 평가하기 위해 이미 알려진 분자적 체계를 이용하는 것은 정신의학 신경과학에서 이제 출현하기 시작했다. 이처럼 거대 규모 과정(시간에 따른 인간의 상호작용하는 행동의 관찰)은 기능적 신경 영상과-----------같은 진보된 방법을 이용하여 정량화되고 있다. 세째 비선형 방법을 이용한 몇개의 초기의 연구들은 연구자들의 인상에 근거한 방식으로---------- 주로 심리적 구성요소와 연관된 것들이었고 이는 가설의 참 거짓을 입증하기 힘들었고 이로 이핸 과학적으로 검증가능한 가설과 모델의---- 진보를 이끌어 낼 수 없었다. 네째 시간을 가로질러(across) 또는 순서에 따라 사고와 감정의 흐름을 신뢰할만하게 측정하는 것은(measure) 새로운 접근과 과제의 발전을 필요로 하는 기세가 꺾일 만한(daunting) 실험적 과제이다. 두개의 선택 예측 과제(two choice prediction task)------- 또는 손가락 운동의 평가---------와 같은 간단한 행동과제가 통제된 맥락에서 일련의(long strings) 단순한 행동을 평가하는 방법을 제공하고 있음에도 불구하고 그것들은 심전도 검사가 심장의 conduction changes에 의한 전기피부 활성(dermal activity)을 정량화하는 만큼의 정확성을 가지고 사고와 감정을 정량화하지 못한다.
카오스에 기초한 방법이 정신 신경과학에 유용하게 적용될 수 있을 거라는 언급을 강하게 지지하는 몇가지 중요한 발전이 있다. Mandell -------과 Freeman-----은 비선형 동력학계 방법의 적용이 신경정신과적 질환 과정의 근본적인 역학적인(기계론적) 성질(mechanistic nature)에 대한 흥미로운 새로운 통찰을 생산한다고 보고하였다. 이러한 접근은 위상공간 영역에 집중되어 있다. -------- 적응적이고 건강한 생물계에 의해 이러한 가치의 연속적 명령하기는(sequential ordering) 다른 변수와의 상호작용을 필요로 한다.(???) 예를 들면 뇌파 기록과-------- 일련의 행동------, 그리고 시간에 따른 정신과적 증상---------의 변동에 대한 비선형적 측정(measure)은 환자와 정상 대조군을 구분하기 위해 사용되어 진다-------. 그러나 이러한 자료에서 출현하는 비선형적 패턴은 체계의 내부 상태(신경정신과적 질환의 내재된 신경 생물학)와 외부의 예측 불가능한(무작위적인) 사건사이의 상호작용으로 인해 초래되는 것처럼 보인다. 예를 들면 계획되거나 예측 가능하지 않은 환경적 사건은 유의미하게 정동장애 본래의 역동(dynamics)을 변화시킬 수 있다.--------- 알코올로 인해 낮은 수준(few degree)의 자유도를 가진 비선형 모드로부터 예측 불가능성이 상당히 커지는(highly unpredictable) 무작위적 모드로 주체가 정보를 처리하게 된다. -------- 대조적으로 우울증의 경우 뇌파에 의해 측정되는 정보 처리과정은 비선형모드로부터 고도로 억제되고 경직된 정보 처리과정 규칙으로 변하게 된다.-------이러한 결과는 정신과적 현상의 일시적(temporal)이고 연속적인 동력학이 신경 생물학 체계의 조직화된 상태와 외부의 건드림 사이의 상호작용 때문이라는 일반적 가설을 지지한다. 그럼에도 불구하고 예를 들면 정동장애의 경과중의 정신과적 증상과 외부의 무작위적 사건과의 특별한 상관성에 대한 정량화는 추가적이고 체계적인 연구를 기다려야 한다.
정신분열증에서의 실험
정신분열증환자의 행동의 순서(behavioral sequence)를 조사하는 저자의 연속된 연구는 건강한(유연한) 행동과 건강하지 못한(고정된) 행동이 동시에 같은 환자에서 공존하는----------행동의 변경되는 시간적 구조라는 일반적인 가설을 지지한다.
새로운 적응
의심할 여지 없이 증후,증상 , 그리고 정신과 환자의 진단조차도 시간에 따라 복잡한 양상으로 변한다. 아직짝지 장기적으로 증상과 행동의 변화를 조사하는 연구자들은 연구되는 증상 또는 기능적 출력(function outcomes)의 복잡성을 포착하는데 실패할 수 있는 단순한 통계적 접근의 변형을 사용하면서 개선과 퇴보(improvement, deterioration)의 묘사에 제한되어 있다.-------- 따라서 정신분열증과 같은 심각한 정신과적 질환에서 증상의 시간 경과에 대한 근본적인 질문이 답해지지 못한 채 남겨져 있다. 첫 째 정신과적 증상과 증후를 특징화 할 수 있는 일시적(시간적) 또는 연속적 구조의 정확한 특징은 무엇인가? 둘 째 치료가 증상과 증후의 일시적(시간적) 또는 연속적 구조를 바꾸는가 ? 세째 증상과 증후의 일시적(시간적) 진화가 다른 항목(카테고리)으로 분류되고 정량화 될 수 있는가? 네 째 내재된 병태 생리적 과정 또는 유전적 아형의 복잡한 구조에 증상과 증후의 다양한 시간적 진화를 결합할 수 있는가?
검증 가능하고 거짓임을 입증할 수 있는 가설로 이러한 질문을 바꾸는 것이(translation) 도전받고 있음에도 불구하고 이러한 네개의 질문을 다루는 것-제기하는 것(addressing)이 이제는 가능한 것처럼 보인다. 신경정신의학에서 발생되는 자료에 비선형 동력학 체계 방법의 적용을 고려할 때 제기되어질(addressed) 필요가 있는 몇가지 중요한 이슈가 있다. 무한정 관찰되어 질 수 있고 오랜 시간 동안 상대적으로 변하지 않은 상태에서 긴 범위의 시간적 맥락으로 끼워넣을 수 있는(??????) 많은 물리계 또는 수학계 에서와는 반대로---------- 생물계는 자주 본질적으로 끊임없이 변화한다.(nonstationary) 이렇게 지속적으로 변화하는 상황은 날씨 또는 증권시장에서의 연속적인 관찰에서의 변동을 관찰하는 것과 유사하다. 다른 학문으로 부터의 몇개의 통계적 접근이 시간적 또는 공간적 영역에서 scaling 이슈를 검토하기(address) 위해 발전되어 왔다. --------- 증상과 증후의 관찰은 심각한 시간적 (temporal) 그리고 신뢰도의 도전을 받고 있다(pose). 증상의 심각성을 몇가지 많은 수준으로 나누는 것 또는 뇌파 자료처럼 초 단위로 정신과적 증상을 평가하는 것은 불가능하며 말이 되지 않는다.(make no sense) 그럼에도 불구하고 동력학적 체계를 몇개의 분명하게 구별되는 상태에 존재하는 것중의 하나로 전환(transfer)하는데 사용되는 접근 방법인 상징적 동력학-------으로부터의 방법이 동력학적 체계를 몇개의 분명하게 규정할 수 있는 상태로 구분함으로써 이 문제를 처리하는데 도움을 줄 수 있다.
많은 정신 신경 과학 시 계열(time series)의 신호 대 잡음비는 비선형 동력학 계 방법을 이용하여 연구되어진 물리계의 그것보다 낮은 크기의 정도이다. 몇몇 연구자들은 소음 감소법------을 개발하였다. ........................
정신과와 다른 의학의 영역에서 질병의 자연스런 경과(history)를 관찰하는 것 뿐 아니라 사건을 변형시키는 것 즉 질병을 치료하는 것을 목표로 한다. 윤리적으로 허용된 치료가 시작되기 전에 치료되지 않은 질병 과정의 시간적 경과를 조사하는 것이 요구되어 질 수 있다. 그러나 정신분열증, 양극성 장애에서의 증상의 변동과 같은 질병과정의 순서와 시간 경과의 짧은 관찰 기간이 질병의 장기 결과에 대하여 의미있는 예측을 하는데 충분한지는 불분명하다. 더불어 상대적으로 짧은 시간 틀이 치료를 통한 질병 과정의 변형에서의 성공에 대하여 정보를 제공할 수 있을까? 이것은 비선형 개념적 틀과 방법을 사용하려는 우리앞에 놓인 중요한 질문이다.
결론
요약하면 비선형 동력학계의 연구는 날씨의 예측과 미시 순환 사건, 심장 박동 그리고 리듬 분석, 호르몬 분비, 뇌파 동력학으로부터 정신과적 증상의 변동에 이르기까지 과학 영역의 광범위한 범위에 걸쳐 거대한 흥미를 일으키고 있다. 특히 의학에서의 최근의 연구가 눈길을 끈다 그러나 규칙적 비선형 방법의 적용은 심장의 전기적 이상과 같은 질환의 치료와 내재된 질병과정에 대한 중요하고 새로운 통찰을 이끌기 시작했다. ------- 앞으로 놓인 과제는 이러한 동력학적 통찰을 다양한 정신 질환을 가진 환자의 치료 반응과 기능 상태의 예측가 평가에 연결시키는 것이다. 게다가 약리학적 그리고 정신 사회적 개입이(약물의 효과 그리고 인지 행동 치료의 효과를 평가하는 것) 신경정신과적 질환의 시간적 경과에 예측가능한 영향을 미치는지를 결정하는 것은 매우 중요하다. (critical). 저자는 증상과 신경 인지적 기능에 대한 치료 효과가 어떻게 비선형 동력학 계 방법을 이용하여 예측가능하게 정량화될 수 있는지를 평가하는 것을 필요로 한다. 마지막으로 이 논문에서 검토된 정신분열증 환자에서의 결과-------- 는 정상과 비정상 행동에 내재된 신경 기질(neural substrate) 기능에 행동 결과와 신경 생리학적 자료를 연결시키는 새로운 검증 가능한 가설을 만들어 낼 수 있다.
저자는 정신분열증에서 일시적(시간적) 또는 연속적 영역에서 기능 이상의 하나의 핵심적인 요소는 한 대상군안에서의 심지어 하나의 테스트를 수행하는 동안에서 조차 낮은 예측성을 가지는 카오스와 교대되는 높은 예측성의 규칙적인 고정성(fixity) 이 함께 존재하는 간헐성의 형태(intermittent fashion) 이다. 특별히 정신분열증 환자의 행동 수준에서 관찰되는 시간적(temporal) 간헐성은 신경계와 내재된 신경세포적 사건(즉 이온 채널 활성--------)의 활성 양상에 상응 할 수 있다. 이런 종류의 정보가 정량화 된다면 그때 정신분열증 스펙트럼 질환의 핵심적 요소가 비선형 방법을 이용하여 신경 세포의 기질(neural substrate)이 시간에 따라 어떻게 작용하는지를 특징화 하는 것이라고 예측한다. 예를 들면 정신분열증의 질병과정이 복잡한 정보를 처리하는 핵심적인 신경세포 기질에서의 정보의 고정된 흐름과 엔트로피적 흐름이 교대로 나타나는 것에 의한다고 가정할 수 있다. 이 경우에 궁극적으로 간헐성이 신경집합(neuronal assembly)을 가로질러(across) 정보의 전달과 연관된 신경세포의 막 특성 본래의 성질의 변경(fundmental alteration)과 같은 요소와 연관될 수 있다. 이러한 간헐성은 정상적인 정보 처리를 손상시킬 수 있고 중요한 맥락적 정보를 회상하는 능력에서의 결함을 초래하거나 작업 기억 결함----, 관문 장애------, 인지적 실조------,와 같은 고차원의 인지 기능의 질환으로 이끌 수 있다.
이처럼 규칙적(lawful) 카오스와 비선형 방법은 정신분열증의 많은 측면을 이해할 수 있게 하는 최적의 기반(optimal flatform)을 형성할 수 있다. 그때 우리는 치료가 어떻게 기초적인 그리고 임상적인 수준에서 간헐성(규칙적 사건과 무작위적 사건의 혼합)의 잠재적인 정상화로 이끄는지 평가할 수 있다. 전임상적 과학적 견지로 부터 비정형 약물은 신경회로망의 발화 양상의 약물에 의해 초래된 비정상적 간헐성을 교정할 수 있는 그들의 능력에 기초하여 스크리닝 될 수 있다. 임상 과학적 견지로부터 증상과 증후의 감소된 간헐성을 평가하는 것은 정신 분열증의 치료를 이해하고 장기적 임상 효과를 예측하는 하나의 방법이 될 수 있다. 이처럼 복잡계 이론과 정신분열증의 관점에서 이러한 방법은 이처럼 독특하게 비선형적이고 perplexing 한 질병군의 치료와 이해를 개선시키는데 있어 흥분시킬만한 많은 기회를 제공할 수 있다.
