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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 41(4); 1998 > Article
Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1998;41(4): 501-506.
An Experimental Study of Superior Laryngeal Nerve Brain Stem Evoked Response in the Dog.
Kwang Moon Kim, Young Ho Kim
Department of Otorhinolaryngology, The Institute of Logopedics and Phoniatrics, Yonsei University College of Medicine, Seoul, Korea. yhkimmd@yumc.yonsei.ac.kr
개의 상후두신경 뇌간유발반응에 대한 실험적 연구
김광문 · 김영호
연세대학교 의과대학 이비인후과학교실, 음성언어의학연구소
주제어: 뇌간유발반응후두반사상후두신경.
ABSTRACT
BACKGROUND AND OBJECTIVES:
Laryngeal protective reflex is a glottal closure reflex triggered by the tactile receptors in the glottic and supraglottic mucosa, which evoke reflexive contraction of laryngeal musculature. Exaggeration of this normally protective reflexes is thought to be responsible for several disorders, including the sudden infant death syndrome. Although the laryngeal brain stem evoked response (LBR) has been studied in several species of animals, dogs were not used as an experimental model yet. The purposes of this study are to record the far-field brain stem activity and to record the waveforms in the dog which has the larynx most similar to that of human, anatomically and physiologically.
MATERIALS AND METHODS:
Under general anesthesia, the LBR tracings were recorded following direct electrical stimulation of the internal branch of the superior laryngeal nerve (SLN) in 5 dogs.
RESULTS:
1) Mean latency of laryngeal adductor reflex response was 12.15 msec. 2) A total of four reproducible positive waves and three negative waves were detected, with mean latencies ranging 2.09-6.11 msec. 3) After sectioning the SLN, no waves were reproducible except for the triggering artifact.
CONCLUSION:
These results suggest that the pattern of waves obtained in the present canine model shows similarity to those of other animal models. In addition, the evaluation and normalization of the data in the present canine model could be used to support future clinical application of human LBR.
Keywords: Brain stem evoked responseLaryngeal reflexSuperior laryngeal nerve
서론 후두의 여러 생리적 기능 가운데 계통발생학적으로는 가장 원시적이지만 중요한 기능인 하기도 방어기능은 후두내 점막에 존재하는 촉각수용체가 여러가지 원인에 의하여 자극될 때 후두근육이 반사적으로 수축하여 성문이 닫히게 되는 성문폐쇄반사(glottic closure reflex)로서 다접합뇌간반응(polysynaptic brain stem response)이다.1)2) 이러한 후두반사가 과민한 경우에는 경련성 발성장애(spasmodic dysphonia), 특발성 후두경련(idiopathic laryngospasm), 반사성 무호흡(reflex apnea), 영아기 무호흡(apnea of infancy), 말더듬이(stuttering) 및 급성영아사망증후군(sudden infant death syndrome)등 여러 질환이 발생할 수 있다. 1)3-5) Sasaki 및 Suzuki 6)와 Suzuki 및 Sasaki7)는 동물과 사람에서 상후두신경(superior laryngeal nerve)의 내지(internal branch)를 전기자극한 후 양측 반회후두신경(recurrent laryngeal nerve)에서 나타나는 반응을 기록함으로써 짧은 잠복기의 후두내전반사반응(laryngeal adductor reflex response, LAR), 즉 성문폐쇄반사(glottic closure reflex)가 존재한다는 것을 보고하였다. 1987 년 Isogai 등8)은 고양이에서 상후두신경을 전기자극하여 반회신경과 뇌간에서 동시에 전기활성(electrical activity)을 기록하는데 처음 성공하여 이를 후두뇌간유발반응(laryngeal brain stem response, LBR)이라고 명명하였다. 또한 1989년 Anonsen 등9)은 Isogai 등과 같은 실험을 고양이를 대상으로 반복 실험하면서 여러가지 자극조건을 검토해 최적자극을 발표하였으며, Kim 등10)과 Kim 등11)도 같은 실험을 실시하여 후두뇌간유발반응 기록을 얻어 이를 비교분석한 바 있다. 이 밖에도 1993년 Cohen 등12)은 새끼돼지를, 1994년 Montalt 등13)은 토끼를 실험동물로 이용하여 후두뇌간유발반응을 측정하여 보고하였으며 이와 아울러 후두뇌간유발반응의 발생원에 대하여도 여러 연구자의 보고가 있었다. 8)9)14) 고양이와 개 및 사람에서 후두반사를 비교 연구한 바에 의하면 개의 후두는 그 해부학적인 구조 뿐 아니라 생리적으로도 사람과 가장 유사하므로 후두반사의 연구에는 개를 실험동물로 사용하는 것이 사람에의 적용 가능성을 알아보는데 바람직하다고 하였으나,15) 개에서 후두뇌간유발반응을 알아 본 연구는 아직까지 없는 실정이다. 따라서 저자들은 개의 상후두신경의 내지를 전기적으로 자극한 후 원격전장전위방법으로 후두뇌간유발반응을 기록하여 각 파형의 모양과 잠복기를 측정하고, 이를 비교 검토해 보고자 본 연구를 시행하였다. 재료 및 방법 실험동물 및 준비과정 체중 9.0∼15.0 kg의 성숙한 한국산 개 5마리를 암수 구별없이 실험동물로 사용하였다. 마취는 체중 kilogram당 30 mg의 pentobaribital sodium(Entobar R)을 정맥주사하였으며 마취의 유지 및 약물의 주입을 위하여 두부정맥(cephalic vein)에 수액경로를 확보하였다. 경구기관삽관으로 기도를 확보한 다음 호흡기(Polymed 201, SIMV Pulmolog, Dr ger)를 이용하여 분당 호흡수 25회, 일회호흡량(tidal volume) 250 ml, FiO 2 0.21로 실험의 전과정동안 인공호흡을 시행하였다. 또한 모든 반응의 측정은 체중 kilogram당 0.1mg의 pancuronium bromide를 정맥주사하여 전기자극시 나타날 수 있는 근육수축에 의한 음영(artifact)을 없앤 상태에서 시행하였다. 마취된 개를 앙와위(supine position)로 고정시킨 후 전경부 중앙선상의 경부피부를 설골(hyoid bone)상부에서부터 흉골병(manubrium)상부까지 수직절개하여 근육을 박리해서 후두와 기관을 노출하였다. 수술현미경하에서 우측 상후두신경의 내지를 갑상설골막(thyrohyoid membrane) 관통 직전에서 절단하여 외지(external branch)와 분지되는 부위까지 근막에서 박리하고 그 신경초(myelin sheath)를 약 1 cm정도 벗겨 낸 후에 이를 미네랄오일(mineral oil)에 적셔서 건조를 방지하였다. 다음은 우측 반회후두신경을 기관식도구(tracheoesophageal groove)에서 찾아 박리 유리시킨 후 외전지(abductor branch)와 내전지(adductor branch)로 갈라지기 직전에서 절단하여 상후두신경에서와 같은 방법으로 신경초를 벗겨 보존하였다. 전극의 설치 및 반응의 기록 자극전극은 절연된 양극 금전극(insulated bipolar gold electrode)을 사용하여 보존된 상후두신경의 내지에 접촉하였으며 주변조직과 절연하였다. 후두내전반사 및 후두뇌간유발반응의 측정시 자극은 공히 상후두신경의 내지에 주었으며 전기자극은 Cadwell 5200A의 electrical stimulator 및 isolator를 이용하여 pulse duration이 0.1 msec인 방형파(square wave)를 빈도 초당 3회, 강도 2 mA로 400회 주었다. 자극음영(stimulus artifact)은 자극의 극성(polarity)을 변화시킴으로써 최소화하였다. 전위의 검출은 Cadwell 5200A에 내장된 averager로 band pass 320∼1,000 Hz, sensitivity ±10 μV로 400회를 평균하였다. 각 개로부터 같은 자극조건에서 여러 번의 반응을 기록하여 2번이상 같은 모양의 파형이 나온 경우에만 이를 택하였다. 기록전극은 후두내전반사의 측정시에는 절연된 양극 금전극을 반회후두신경에 접촉시켰으며, 후두뇌간유발반응의 측정시에는 침전극(insulated stainless steel needle electrode)을 이용하여 기록하였으며 활동전극(active electrode)은 동물의 입을 벌린 다음 연구개를 통해서 상인두후벽에 삽입하였고, 기준전극(reference electrode)은 전경부에 노출된 후두와 기관측면의 제 3 경추부위의 근육에 삽입하였다. 접지전극(ground electrode)은 경부근육의 적당한 곳에 삽입하였다(Fig. 1). 결과 후두내전반사 후두내전반사전위는 5마리에서 13차례에 걸쳐 기록하였는데, 그 잠복기는 평균 12.15 msec로 범위는 10.66∼14.56 msec이었다(Table 1, Fig. 2). 후두뇌간유발반응 원격전장전위방법을 이용한 후두뇌간유발반응에서는 4 개의 양성파와 3개의 음성파가 검출되었는데 양성파를 순서대로 P 1, P 2, P 3, P 4로, 음성파를 N 1, N 2, N 3로 명명하였다(Fig. 3). P 3까지의 파형들은 반복성있게 중첩되었지만 N 3와 P 4는 항상 나타나지는 않았으며 13차례의 기록중 각각 5차례와 4차례에서만 관찰되었다(Table 2). 상후두신경을 절단한 경우에는 유발음영(triggering artifact)이라고 볼 수 있는 파형 이외에는 의미있는 파형이 관찰되지 않았다. 고찰 후두반사는 호흡조절과 순환계의 조절 및 발성기능의 조절 뿐 아니라 흡인(aspiration)으로부터 하기도와 폐를 보호하는 중요한 기전이다. 성문상부점막을 기계적 혹은 화학적으로 자극하거나 상후두신경을 직접 전기자극하면 두 가지의 반응이 나타나는데 그 하나는 성문폐쇄와 관련된 후두내전반사이고6)7) 다른 하나는 후두화학반사(laryngeal chemoreflex, LCR)로서 이로 인하여 중추성 무호흡(centrally mediated apnea)과 혈류역학적 변화 및 연하운동(swallowing)이 나타난다.16) 역사적으로 볼 때 후두내전반사가 사람과 동물에서 보고된 이후,6)7) 상후두신경이 후두내전반사를 일으키는데 가장 이상적인 자극신경으로 보고되었으며17) 이 반사경로는 상후두신경을 자극하면 그 구심성전달이 미주신경의 마디신경절(nodose ganglion)을 통해서 뇌간(brain stem)의 고립로핵(nucleus tractus solitarius)으로 간 다음 의핵(nucleus ambiguus)과 망상체(reticular formation)에 있는 후두내전운동 신경원에 전달되는 것으로 알려져 있다.5)18) 또한 상후두신경의 호흡중추핵으로의 투사에 관한 연구에서 이 중추핵들이 비정상적인 후두반사에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다고도 하였다. 고양이와 개 및 사람에서 후두반사를 비교 연구한 바에 의하면 고양이에서는 반대측의 신경을 자극한 경우에 동측을 자극한 경우에서보다 반응의 잠복기가 길고, 반대측 자극으로 동측에서 같은 정도의 전위를 발생시키려면 자극강도가 약 2배 더 필요하는 교차내전반사(crossed adductor reflex)가 존재하지만15) 개는 이러한 교차내전반사가 거의 발달하지 않았으며, 사람에서는 교차내전반사가 존재하지 않는 것으로 보고되었다.6) 이렇듯 개의 후두는 그 해부학적인 구조 뿐 아니라 생리적으로도 사람과 가장 유사하므로 동물실험을 통한 후두반사의 사람에의 적용가능성을 알아보는데에는 개를 실험동물로 사용하는 것이 합리적이라 생각되나 후두뇌간유발반응의 측정에 개를 실험동물로 이용한 연구는 아직 보고된 바 없다. 본 연구에서 기록전극을 반회후두신경이 분지하기 전에서 절단하여 접촉한 이유는 신경줄기에서 후두내전반사반응을 기록하기 위함은 물론이고, 갈렌문합(Galen’s anastomosis)에 의하여 발생될 수 있는 전기적 활성을 제거하기 위해서도 필요하였다.9) 원격전장전위방법으로 후두뇌간유발반응을 측정하기 위하여 삽입한 활동전극의 위치는 다른 연구9-11)14)16)에 의해서 시도되었던 방법이며, 기준전극의 삽입위치는 연구자들마다 약간씩 차이가 있는데 Anonsen 등9)은 후경부의 피부에 표면전극을 부착하였으나, 본 연구에서는 Isogai 등8)과 Kim 등11)에서와 같이 침전극을 경추부위 근육에 삽입하였다. 즉 기존의 원격전장전위방법으로 발표된 연구들에서 사용된 방식을 다소 수정하였으며 그간의 경험을 토대로 하여 최적의 반응을 얻을 수 있도록 배치방식을 고안하였다. 사용한 전기자극의 조건 및 방법은 Kim 등10)과 Kim 등11)의 실험에서도 적절한 자극으로 사용되었던 방법이다. 자극강도로는 감지역치 이상에서 조금씩 증가시키는 방법이 사용되기도 하였는데 9) 본 연구에서는 후두반사가 보호반사로서 all-or-none fashion으로 작동하므로 자극강도의 증가가 잠복기 등에 영향을 미치지 않는 것으로 생각되었기 때문에9) 감지역치 이상의 일정한 자극강도를 사용하였다. 전기자극후 나타나는 반응의 파형이 반복적으로 재생이 가능한 것인지를 알기 위하여 각 개로부터 같은 자극조건에서 여러 번의 반응을 기록하였으며 최소한 2번이상 같은 모양의 파형이 나온 경우에만 이를 택함으로써 재생반복성의 신뢰도를 높이는데 주력하였다. 본 연구의 전 과정에서 뇌간유발반응을 기록할 때 근육수축에 의한 음영을 없애기 위하여 pancuronium bromide를 사용하였는데, Montalt 등 13)은 토끼를 이용한 그들의 실험에서 적절한 안정제의 투여만으로도 근육활성에 의한 음영의 제거가 가능하다고 하였으나 현재까지는 curarinic drug의 사용이 보편화되어 있는 실정이다. 후두내전반사의 잠복기는 평균 12.15 msec로서 Sasaki 및 Suzuki 6)가 보고한 16∼18 msec보다는 다소 짧게 나타났다. 원격전장전위방법으로 검출한 뇌간유발반응파형의 명명은 본 연구에서는 나타난 순서대로 하였으며 P 1과 N 1은 자극음영으로 생각되었다. 파형의 명명방법은 연구자마다 약간의 차이가 있을 수 있다. Anonsen 등9)은 고양이에서 6개의 양성파와 5개의 음성파를 얻은 후 각각 순서대로 P 0에서 P 5, N 0에서 N 4로 명명하였으며 P 0와 N 0가 일관성없이 나왔다고 이야기하였는데 이는 자극후의 조기반응을 기록하였던 것으로 생각된다. Cohen 등14)은 새끼돼지에서 6개의 양성파 및 음성파를 얻었으며 이중 가장 반복재생이 잘된 파형이 P 1, N 1과 P 3라고 하였고, 자극음영을 P 0와 N 0라고 하였다. Montalt 등13)은 토끼에서 5개의 양성파 및 4개의 음성파를 기록하였다고 보고하였다. 이렇게 연구자마다 결과에 약간씩 차이가 나타나는 이유로는 전극의 부착위치에 차이가 있기 때문일 가능성이 가장 높은데 이로 인하여 파형의 모양과 극성에 적지 않은 변이가 나타나게 된다. 다른 이유로는 filter 설정의 차이를 들 수 있는데, 특히 저주파의 설정이 파형의 모양과 잠복기에 영향을 미친다고 한다.9) 또한 Isogai 등8)은 혈중 산소 및 이산화탄소의 분압이 고양이에서 파형에 영향을 미친다고 하였으나, Cohen 등12)은 새끼돼지에서는 영향이 없다고 하여서 실험동물을 어떤 종으로 선택하였는가에 따라서도 결과에 차이가 날 수 있음을 알 수 있다. 그밖에 동물의 각성상태, 마취의 종류와 심도, 동물의 연령, 성별 및 온도등의 이유를 들 수 있으며 근육의 마비가 완전한 상태에서 실험이 진행되었는지도 확인해야한다. 상후두신경을 절단한 경우에는 유발음영이라고 볼 수 있는 파형 이외에는 모든 파형이 소실됨으로써 본 연구에서 얻어진 파형들이 신경에서 유래된 것임을 알 수 있는 증거가 되었다. 본 연구에서 얻은 파형이 뇌간유발반응의 신경활성이라는 증거로는 모든 관찰에서 첫번째 peak는 상후두신경을 전기적으로 자극한 후에 나타났고, 자극의 극성을 변화시켜도 동일한 반응이 나타남으로써 이들 파형이 무작위적 활성(random activity)이 아니라 상후두신경의 자극에 의하여 유발된 것임을 알 수 있으며, 신경절단 후에는 모든 peak가 소실되며, 근육활동을 완전히 마비시킨 후에도 파형이 존재함 등14)을 들 수 있다. 그러나 개에서의 후두뇌간유발반응의 peak와 그 발생원간의 관계는 아직 알 수 없는 실정인데, 그 이유는 발생원의 해부학적 기원에 대한 확고한 결론을 내리려면 손상연구(lesion study) 혹은 반사경로를 따라서 발생원으로부터 정위기록(stereotaxic recording)을 해야 하기 때문이다. 더구나 고양이등의 동물에서는 뇌간핵의 각부위에 대한 근접전장전위가 기록 보고되어 왔으며 뇌좌표(brain map)가 작성되어 있으나, 개에서는 그러한 기초자료가 아직 미흡하므로 본 연구에서 얻은 결과를 객관적으로 비교검토하기는 아직 이르다고 생각한다. 개에서 근접전장전위를 이용한 실험이 보편화되지 못한 이유는 여러 가지가 있겠으나 일단 쥐나 고양이처럼 신경생리학적인 실험에 사용되기에는 개의 체구가 크고 두개골이 두꺼워 뇌간 및 신경조직을 노출시키는 실험이 용이하지 않다는 해부학적인 이유가 가장 크다고 생각한다. 후두뇌간유발반응이 임상에 적용된다면 아직 원인이 확실하지 않지만 후두기능이상과 연관되었으리라 생각되는 여러 질환의 진단과 치료에 획기적인 전환을 가져올 것으로 사료되며 또한 성대마비환자의 국소해부학적 연구(topographic study)에도 유용하게 쓰여질 것이다. 그러나 비관혈적인 검사방법이 제대로 정립되지 않았으며, 각 파형의 발생원이 명확히 밝혀져 있지 않기 때문에 후두뇌간유발반응은 사람에게 아직까지 적용되지 못하고 있다. 사람에서의 후두뇌간유발반응은 Yamashita가 후두전적출술을 시행하는 환자에서 상후두신경의 내지에 전기자극을 주고 두피에 부착한 표면전극에서 파형을 기록 보고함으로써 사람에서도 후두뇌간유발반응이 존재한다고 하였으며, 또한 정상인에서 상후두신경을 경피적으로 자극함으로써 표면전극으로부터 유사한 뇌간반응을 기록할 수 있었다고 보고하였으나 아직 보편화되지 못하고 있다.19) Anonsen 등9)도 사람에의 적용이 가능하려면 경피적 상후두신경 자극방법이 도입되어야만 한다고 밝힌 바 있다. Kim 등11)은 air pump와 같은 반복적인 pulse 자극을 줄 수 있는 자극장치가 고안되어야 한다고 하였으며, 최근 Yin 등20)은 정상 사람에서 후두뇌간유발반응을 측정하는데 상후두신경의 비침습적인 자극방법으로 경피적인 vibrator를 이용하여 보고하였다. 발생원의 신경해부학적 위치를 추정하기 위한 방법으로는 미주신경 줄기를 마디신경절 상방에서 절단한 후 뇌간유발반응을 기록하여 반응의 조기에 나타나는 파형의 발생원을 알아보거나, 원격전장전위방법과 근접전장전위방법에서 얻은 결과를 서로 비교하는 방법등이 있을 수 있는데, 개에서는 아직 근접전장전위방법으로 측정된 뇌간의 각 부위에서의 잠복기자료가 없으므로 이는 앞으로의 연구에서 순차적으로 밝혀야 할 것으로 생각한다. 아울러 향후 사람에의 적용가능성을 알아보는 것이 바람직할 것으로 생각한다. 결론 연구자는 5마리의 성숙한 개의 상후두신경의 내지를 전기적으로 자극한 후 원격전장전위방법으로 후두뇌간유발반응을 기록하여 각 파형의 모양과 잠복기를 측정하여 다음과 같은 결과 를 얻었다. 1) 후두내전반사의 평균 잠복기는 12.15 msec였다. 2) 원격전장전위방법을 이용하여 뇌간유발반응을 측정한 결과, 반복재생이 가능한 4개의 양성파와 3개의 음성파를 기록하였으며 P 3까지의 파형들은 반복성있게 중첩되었지만 N 3와 P 4는 항상 나타나지는 않았으며 13차례의 기록중 각각 5차례와 4차례에서만 관찰되었다. 3) 상후두신경을 절단한 결과, 유발음영이라고 볼 수 있는 파형 이외의 의미있는 파형이 관찰되지 않았다. 이상과 같은 결과를 토대로 볼 때 개에서 상후두신경 내지의 전기자극후 원격전장전위방법으로 기록한 뇌간유발반응의 파형은 기존에 발표되었던 다른 실험동물 모델에서와 유사한 특징을 갖는 파형임을 알 수 있었으며, 이 결과의 분석과 정상치의 설정을 통하여 향후 사람에서 후두뇌간유발반응의 적용에 도움을 받을 수 있을 것으로 사료되었다.
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