Gate control theory(관문조절설)이란?

1965년에 Melzack과 Wall이 발표한 대표적인 통증 조절기전
비통증 자극에 의해 통증 전달의 관문(gates to painful input)이 닫히게 되고, 이로 인해 통증 감각이 뇌로 전달되는 것이 차단되는 현상

척수후각에는 통증의 문지기로 관문을 지키는 교양질 세포(substantia gelatinosa, SG세포)와 중추에 정보를 전달하는 전달세포(T세포)가 존재
통증을 전달하는 Aδ섬유나 C섬유 등의 얇은 신경섬유가 흥분하면 문지기인 SG세포가 억제되어 관문이 열려서 T세포를 통해 통증이 뇌로 전달되게 됨
그러나 촉각 등을 전달하는 굵은 신경섬유(Aβ섬유)가 흥분하면 문지기인 SG세포를 흥분시켜 관문을 닫게 만들고, 이로 인해 T세포에는 정보전달이 안되어 통증이 뇌로 전달되지 않게 됨

Gate control theory: SG : 교양질, T : 전달세포, + : 흥분, - : 억제

일차 구심 섬유들은 SG와 T 세포로 투사됨. SG에 의한 구심성 섬유 종말 억제 효과는 굵은 신경섬유의 활동에 의해서 증가되고 가는 신경 섬유의 활동에 의해서 감소됨. 중추성 조절방아쇠는 굵은 신경 섬유의 특정 시스템에서 시작되며, 중추에서 하행성 섬유를 통해 다시 관문 조절시스템으로 투사됨. T 세포는 활동계로 투사됨
Melzack과 Wall은 관문 조절을 위해 통증 신호를 전달하는 침해수용체로 가는 신경섬유, 비통증성 감각 정보를 담당하는 굵은 신경섬유, 교양질 세포(SG)인 억제 개재 뉴런(inhibitory interneuron), 통증 정보를 뇌로 중개하는 척수 전달 세포(T cell)를 가정하였음. 억제 개재 뉴런은 굵은 신경섬유에 의해 활성화되나 가는 신경섬유에 의해서는 억제되며, 척수의 통증 전달 세포의 활성을 막는 기능을 함. 결국 굵은 신경섬유, 가는 신경 섬유, 억제 개제 뉴론이 이루는 통증 관문 시스템에 의해 통증이 전달되며, 특히 통증 신호의 전달은 억제 개재 뉴론의 활성화 여부에 의해 결정적으로 조절을 받게 됨

Gate control theory 수정 모델

Melzack과 Wall은 추가적으로 밝혀진 사실들을 보강하여 처음의 가설을 수정하였다. 이 새로운 모델에서는 뇌간으로부터의 하행 억제 조절뿐만 아니라 개재 뉴론의 흥분성 및 억제성 연결도 포함하고 있다.

1965년의 이론에는 억제가 이뤄지는 장소가 T세포로 들어오기 전(시냅스 전 억제)이었지만, 현재는 억제 개재뉴런(inhibitory interneuron)이 T세포 자체를 억제하고 있는 것으로 수정됨

Gate control theory 수정 모델

교양질(SG)에서 전달세포(T)에 뇌간으로부터의 하행 억제 조절 뿐만 아니라 흥분(흰동그라미) 및 억제(검은 동그라미) 연결도 포함하고 있음. 억제성 연결말단의 동그라미는 그 작용이 시냅스 전, 시냅스 후 혹은 양쪽 모두임을 의미함. SG에서 T 세포로의 억제성 연결 이외의 모든 연결은 흥분성임
가는 신경섬유를 통해 통증 신호가 전달되면 억제 개재 뉴론(inhibitory interneuron)이 억제되고, 척수의 통증 전달 세포가 활성화되어 통증 관문이 열려 통증이 전달됨
비침해수용 자극이 동시에 들어 오는 경우에는 비통증성 말초 감각 정보를 담당하는 굵은 감각 섬유의 분지가 억제 개재 뉴론을 활성화시키고, 활성화된 억제 개재 뉴론은 가는 통증 섬유에 의해 척수의 통증 전달 세포의 활성화를 저해하여 통증 신호 전달 관문을 닫게 되고, 이로 인해 통증의 전달을 막게 됨
뇌로부터 내려오는 중추성 조절도 관문 조절 기전에 영향을 줄 수 있는데, 굵은 신경섬유의 특정 시스템이 선택적인 인지 과정을 활성화시키고 하행 섬유를 통하여 관문 조절 기전을 변조시킬 수 있음

관문 조절설은 척수 레벨에서 비침해수용 자극이 시냅스전 억제를 통해 척수의 침해수용 뉴론(T cell)을 비활성화시켜 통증 정보의 유입을 막을 수 있다는 것을 예측했고, TENS나 척수자극술의 이론적 배경이 되었다.

참고자료

Manion J, Waller MA, Clark T, Massingham JN, Neely GG. Developing Modern Pain Therapies. Front Neurosci 2019;13:1370.
Cho I-C, Min S. Proposed New Pathophysiology of Chronic Prostatitis/Chronic Pelvic Pain Syndrome. Urogenital Tract Infection 2015;10:92.