'뇌파가 일으키는 자기공명' 관측…뇌기능 영상화 새 기법

[감시범죄]

» 뇌파자기공명 원리. (1)대뇌 피질의 신경전류(붉은 화살표)가 뇌파를 발생시키고 전류주변의 진동하는 자기장(분홍색 화살표)을 발생함 (2)마이크로테슬라 수준의 외부 자기장이 뇌에 걸리면, 자기장에 비례하는 주파수(마이크로테슬라당 42 Hz)의 뇌파가 발생한 부분의 양성자(파란 구슬)들이 공명하여 기울어짐 (3) 기울어진 양성자들을 자기공명영상방법에 의해 영상화함. (4)같은 주파수의 뇌파가 발생된 부분들이 바로 영상화 되므로, 뇌기능연결성을 직접 보여줌(서로 다른 영역의 뇌기능은 뇌파에 의해 연결됨). 글과 그림/ 한국표준과학연구원
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'뇌파가 일으키는 자기공명' 관측…뇌기능 영상화 새 기법

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오철우 2014. 05. 28

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한국표준연 연구팀, 기존 자기공명영상과 다른 기법 개발

“특정 주파수 뇌파 진동 부분 영상화, 뇌기능 연결성 관찰”

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 +  일문일답: 책임저자 김기웅 박사

» 지구 자기장보다 낮은 마이크로테슬라 대역에서 자기공명을 측정하려면 모든 시스템이 '자기차폐실' 내부에 설치돼야 한다. 자기차폐실 내부애는 자기공명 영상화를 위한 경사자계 코일 시스템과 센서 측정장치(SQUID) 등이 있다. 사진은 표준연 김기웅 박사가 뇌 기능 연결성을 볼 수 있는 뇌파자기공명 장치를 점검하는 모습. 글과 사진/한국표준과학연구원

뇌파 가 만드는 미세한 생체 자기장을 이용해 서로 떨어진 뇌 부위의 기능 연결 상태를 시각화할 수 있는 새로운 영상기법이 국내에서 개발됐다. 한국표준과학연구원(표준연)의 생체신호센터 연구팀은 최근 자기공명영상(MRI)의 기본원리를 응용하되, MRI가 뇌의 혈류(산소)를 측정해 뇌 기능을 영상화하는 것과는 달리 뇌파가 일으키는 미세 자기장에서 공명을 일으키는 수소이온(양성자)을 측정해 뇌 기능을 영상화하는 새로운 기법을 만들어냈다. 이런 성과는 과학저널 <뉴로이미지(Neuro Image)>의 표지 논문으로 최근 실렸다.

» 격주간 과학저널 '뉴로이미지'의 5월1일치 표지. 논문의 책임저자이자 제1저자인 김기웅 생체신호센터장은 “뇌파가 일으키는 진동자기장이 뇌 속의 양성자를 공명시키는 ‘뇌파 자기공명(BMR; Brainwave Magentic Resonance)’ 현상을 측정함으로써 서로 다른 부위의 뇌 기능이 어떻게 연결돼 있는지 관측할 수 있는 기술을 개발했다”고 밝혔다. 연구팀이 개발한 장치(SQUID MRI) 안에서는, 어떤 기능을 하는 뇌 부위의 양성자들이 자기공명을 일으키는데 이때 그런 양성자만을 측정함으로써 기능을 행하는 뇌 부위의 위치를 포착해 시각화하는 방식이다.

김 센터장은 원리를 다음과 같이 설명했다.

“뇌 파는 뇌 피질 신경의 집단적 흥분에서 발생하는데 이때 작은 신경전류가 발생합니다. 피질에서는 신경이 한 방향으로 잘 정렬되어 있으므로, 집단적으로 꽤 많은 전류가 한 방향으로 흐릅니다. 흐르는 전류 주변에는 자기장이 발생하고, 이 자기장이 양성자를 공명시킵니다.”

여기에는 미세한 외부 자기장을 걸어주는 장치가 필요하다. 지구 자기장보다도 훨씬 작은 외부 자기장을 걸어주어야 하기에, 이 장치는 자기장 차폐 시설에서 작동한다. 널리 사용하는 자기공명영상(MRI)의 자기장보다 100만 분의 1 수준이며 지구자기장보다 더 작은 특정 주파수의 외부 자기장을 걸어주면, 이 자기장에 비례하는 주파수를 지닌 뇌파 자기장이 생성된 뇌 부위에서 양성자의 공명이 일어나기 때문이다. 외부 자기장의 주파수를 바꿔주면 그것에 걸맞는 주파수의 뇌파 부위 양성자들이 관측되는 식이다.

김 센터장은 “뇌파자기공명 방식은 뇌 기능을 담당하는 특정 주파수 영역의 뇌파가 진동하는 부분을 영상화하기 때문에 뇌의 각 부분이 뇌파에 의해 연결돼 작동하는 뇌 기능 연결성을 직접 파악할 수 있다”고 말했다.

표준연은 보도자료에서 “뇌파자기공명 방식은 낮은 자기장에서 뇌 기능 연결성에 대한 측정이 가능하다는 장점이 있다“며 “이 방식에 쓰이는 자기장 세기는 기능성 자기공명영상(fMRI)에 비해 100만 분의 일 수준”이라고 말했다. 연구원은 “fMRI 영상에선 자기장 세기의 제곱에 비례해 해상도가 높아지기 때문에 관련 업계에서는 더 높은 자기장을 지닌 장비가 계속 개발되고 있지만 그만큼 장비 가격이 높아지고 강한 자기장과 전자기파 노출로 인한 인체 유해성 논란도 있다”고 전했다.

표준연은 이번 새로운 뇌파자기공명 방식이 자기장 세기를 더 높이려는 추세와 반대로 오히려 미세한 자기장을 사용하고 생체 자기장을 이용하는 ‘역발상’에서 얻어진 것이라고 평가했다. 김 센터장은 “뇌 기능 연결성을 직접 보여주는 영상 장비를 순수 국내 기술로 개발함으로써 뇌의 신비를 푸는 열쇠가 되는 것은 물론 고가로 거래되는 의료장비의 국제시장에서 경쟁력을 지닐 수 있을 것”이라고 기대했다.

연 구팀은 이번 발표 논문에서 동물의 신경계를 모사한 실험도구(‘뇌신경 팬텀’)를 사용해 뇌파자기공명 영상화 기법의 원리가 가능함을 입증한 데 이어, 올해 안에 실제 동물의 뇌를 대상으로 뇌 기능 연결성을 새로운 영상기법으로 관측하는 실험을 벌일 계획을 세워두고 있다.◑

  ■ 일문일답: 김기웅 한국표준과학연구원 생체신호센터장

* 아래는 이번 연구를 이끈 김기웅 박사와 이메일로 나눈 일문일답을 정리한 것이다. 꺽쇠괄호 부분은 이메일 일문일답 이후에 좀 더 궁금한 내용을 두고 전화 통화로 나눈 대화로, 통화 이후에 따로 정리해 표현은 기자의 것이다.-사이언스온 

보통 연구에는 선행연구가 있게 마련인데요, 뇌 기능 시각화와 관련해, 특히 뇌파자기공명(BMR)과 관련한 선행연구들은 없었는지요?

　“뇌기능의 연결성은 현재 뇌과학자들이 가장 관심을 갖는 부분으로 fMRI, 뇌전도(EEG), 뇌자도(MEG), PET 등 여러가지 뇌기능 진단 수단을 이용한 연구가 진행되고 있습니다. 하지만, 위에 적은 모든 방법들이 간접적이거나 시간해상도의 부족으로 직접 뇌기능 연결성을 보기에 적합한 수단은 아닙니다.  그래서 주기적인 생체전기활동이 체내의 양성자를 직접 공명시키는 현상을 측정함으로써 생체의 기능을 영상화한다는 ‘생체자기공명’이라는 개념을 만들었습니다. 이 새로운 개념에 기반하여 뇌파자기공명을 고안했습니다. 관련 선행연구로는  혈전 생성에 의한 뇌졸중(중풍)을 일으키는 심장의 심방부정맥의 원인을 찾는 연구가 있었습니다. 질병 방아쇠인 10 Hz정도의 f-wave 발생 부근의 양성자를 공명시켜 위치를 알고 수술에 활용할 수 있다는 심장자기공명(heart magnetic resonance: HMR)의 아이디어를 2011년에 AIP advances 라는 저널에 출판한 바가 있습니다.

작 동원리를 살펴보다보니 “마이크로테슬라 수준의 외부 자기장이 뇌에 걸리면, 자기장에 비례하는 주파수(마이크로테슬라당 42Hz)의 뇌파가 발생한 부분의 양성자들이 공명하여 기울어짐, 기울어진 양성자들을 자기공명영상 방법에 의해 영상화함”이라는 표현이 있습니다. 상당히 어려운 대목이지만 이 새로운 기법의 핵심내용인 듯합니다. 쉽게 자세히 설명해주실 수 있을런지요? (뇌에다 아주 약한 자기장을 걸어주면, 뇌파 고유의 자기장과 공명을 일으킬 수 있고, 이때에는 양성자에 어떤 효과 반응이 나타나 그것을 측정할 수 있다는 얘기로 들립니다만...)

　“양성자라는 것은 물을 이루는 원자핵입니다. 체내에는 수분이 어디나 있고, 일반적인 3 테슬라(자기장 세기의 단위) MRI는 이 수분의 양성자를 외부에서 rf 라 불리는 고주파 자기장을 인체에 가해주어 공명시켜 기울이고, 기울어진 양성자만 영상화하면 체내의 수분밀도가 보이게 되고 이것이 흔히 보는 해부학적MRI 영상입니다.  3 테슬라의 외부 자기장 방향으로 정렬되어있던 양성자의 축이 공명상태에서 rf의 에너지를 흡수하여 방향을 바꾸는 것이라고 이해하시면 됩니다. 이때 공명을 위해서는 rf 고주파 자기장은 약 126 MHz 의 주파수를 갖습니다. 메가는 백만을 나타냅니다. 3 테슬라이던 외부자기장을 지구자기장 보다도 낮은 1 마이크로 (백만분의 1) 테슬라로 낮춘다면, 공명을 일으키는 자기장의 주파수는 42 Hz로 낮아집니다.  이 상태라면 밖에서 rf를 가해주지 않아도, 인체 내의 진동하는 생체전류활동이 있다면 흐르는 전류 주변으로 진동하는 자기장이 발생하고, 이 진동하는 자기장이 직접 양성자를 공명시켜 기울일 수가 있습니다. 결국, 감마파에 해당하는 42 Hz의 뇌파가 뇌파활동부위 근처 수분의 양성자만을 기울이게 되고, 이것을 영상화 하면 뇌파가 활성화되는 곳의 영상을 얻게 됩니다. 결국 뇌활동을 보여주는 뇌기능 영상이 되는 것이지요.”

» 뇌파자기공명 원리. (1)대뇌 피질의 신경전류(붉은 화살표)가 뇌파를 발생시키고 전류주변의 진동하는 자기장(분홍색 화살표)을 발생함 (2)마이크로테슬라 수준의 외부 자기장이 뇌에 걸리면, 자기장에 비례하는 주파수(마이크로테슬라당 42 Hz)의 뇌파가 발생한 부분의 양성자(파란 구슬)들이 공명하여 기울어짐 (3) 기울어진 양성자들을 자기공명영상방법에 의해 영상화함. (4)같은 주파수의 뇌파가 발생된 부분들이 바로 영상화 되므로, 뇌기능연결성을 직접 보여줌(서로 다른 영역의 뇌기능은 뇌파에 의해 연결됨). 글과 그림/ 한국표준과학연구원

[기울어진 양성자를 영상화한다는 표현이 나오는데, '기울어진다'는 게 어떤 의미인가요?]

[“공 중에 떠 있는 양성자를 생각해봅시다. 미세한 외부 자기장을 걸어주면 양성자는 외부 자기장 방향으로 서 있게 됩니다. 그런데 외부 자기장과 뇌파에서 생성된 생체 자기장이 어울려 양성자에 공명 현상이 나타나게 되면, 양성자는 외부 에너지를 받아들이는데 이때 양성자의 자세는 기울어지게 됩니다. 외부 자기장이 배경 자기장이라고 생각한다면, 특정한 주파수의 뇌파가 만들어내는 자기장이 있는 곳에서는 공명 현상이 일어나기에, 결국에 특정 주파수의 뇌파에 있는 양성자들이 공명 현상을 일으키는 것이지요. 양성자는 외부 에너지를 얻은 상태가 되는데, 그런 양성자의 에너지 상태를 측정해서 공명 현상을 일으키는 양성자들, 즉 뇌파가 일어나는 부위의 양성자들만이 측정이 되는 것입니다. 그것을 영상화하는 것입니다..”]

뇌 기능 연결성이라는 표현이 좀 모호해서 여쭙니다. 뇌에서 어떤 기능 활성이 일어날 때에, A부위와 동시에 B부위에서도 뇌파에 의한 자기장 공명이 일어나 양성자가 관측될 때에 A와 B는 한 가지 반응이나 활성의 기능에서 연결돼 있다, 이렇게 보는 것을 말하는 것인지요?

　 “네, 맞습니다. A 부위와 B 부위에서 발생하는 뇌파의 주파수와 모양이 같다면(correlation), 두 부위는 동조하여 활동하고 있다고 가정할 수 있을 것입니다. 이것을 기능적으로 연결되어있다고 하고, 뇌기능연결성이라고 합니다. 그래서 뇌파가 뇌의 서로 다른 부분 사이의 통신을 매개하고 있다고 볼 수 있습니다. 예를 들어 컴퓨터를 뜯어서 메인보드를 본다면 그것은 해부학적 영상이고, CPU 15번 핀과 메모리 3번 핀이 도선으로 연결되어 있다고 하면 해부학적 연결성입니다. 이때 15번 핀과 3번핀 각각의 전압을 오실로스코프로 관찰할 때, 두 전압 변화의 모양이 같은 파형으로 움직인다면 비로소 기능적으로 연결되어 있다고 볼 수 있을 것입니다.”

[뇌파의 주파수와 모양이 같다는 것만으로 A와 B 영역이 기능적으로 연결돼 있다고 볼 수 있는 것인지요?]

[“그 렇습니다. 같은 뇌파 파형이라면 동조하는 것이고 이는 '기능적으로 함께 동작함'을 보여주는 것입니다. 전기생리학 분야에서 뇌 표면에 전극을 꼽아서 뇌파를 측정하는 기존의 많은 연구에서도 서로 다른 영역의 전극에서 같은 파형이 관찰되면 두 영역의 신경세포가 기능적으로 연결돼 있다고 받아들여집니다.”]

새로운 영상 기법이 실용적이려면 해상도가 아무래도 중요하겠는데요, 해상도는 어떠한지요?

　 “해상도는 기술적인 문제인데, 뇌파자기공명의 기반기술인 극저자장 핵자기공명 기술에서 사전자화자기장의 세기에 비례합니다. 사전자화 자기장만 크게 걸어 줄 수 있다면, 시스템의 다른 부분에는 전혀 변화를 주지 않고 마음대로 해상도를 높일 수 있다는 장점이 있습니다. 현재 논문에서 실험한 장치에서의 해상도는 해상도에는 신경을 쓰지 않고 현상만을 보여준 것이지만 약 3 mm 정도의 해상도를 갖고 있습니다.”

실제로 새 영상기법을 적용해 영상화한 뇌 사례는 있는지요?

　“현재는 원리 구현만을 한 상태입니다. 다음 단계로 동물 실험을 거쳐야 인간 뇌실험에 적용이 가능합니다.”

[논문에는 새 영상기법을 이용해 얻은 영상이 있는데, 동물 실험 결과물은 아닌가요?]

[“아 직 동물 뇌를 대상으로 측정하진 못했습니다. 논문에 실린 영상은 동물 내의 신경계를 비슷하게 모사해 만든 실험용 도구를 대상으로 측정해 제시한 것입니다. ‘뇌신경 팬텀’이라고 불리는 실험 도구입니다. 현재는 이런 새 기법의 기술 가능성을 제시하는 단계라고 보면 됩니다. 올해 안에 작은 동물의 뇌를 대상으로 실험할 계획을 세워두고 있습니다.”]

[뇌 전체를 한 눈에 측정할 수 있는 것인지요?]

[“원리적으로는 뇌 전체를 다 관측할 수 있습니다. 지금은 작은 동물 뇌를 관측할 수 있는 설비를 갖추고 있습니다만, 기술적인 문제일 뿐입니다.”]

뇌 기능 시각화와 관련해 최근에는 신경세포가 활성을 띨 때에 빛을 내는 형광단백질을 신경세포들에다 구현해 형광을 관측함으로써 뇌 활성 기능과 연결성을 살피는 기법들도 개발되고 있는데요, 이런 기법의 경우엔 유전자조작이 선행되어야 한다는 점에서 인체에 적용하기 힘들고 불투명한 신경조직을 관측하기 힘들다는 단점도 지니고 있습니다. 이와 관련해 KRISS 새 기법의 장점을 설명해주신다면... 그리고 또한 KRISS 새 기법이 안고 있는 현재의 한계를 함께 말씀해주신다면...

　“뇌파자기공명은 완전한 비침습적인 방법으로 인체에 전혀 조작이 필요 없습니다. MRI와 같다고 보시면 됩니다. 장점은 뇌신경연결성을 직접 측정할 수 있다는 것이고 직접적으로 특정 밴드의 뇌파의 발생위치를 바로 가시화 할 수 있다는 것입니다. 현재까지 뇌파발생의 위치를 보여줄 수 있는 장비는 없었습니다. 현미경이 발견되고 세포학 및 여러 병리학적 이해가 된 것처럼 새로운 측정장비는 새로운 지식을 창출하므로 뇌에 관련된 새로운 지식을 얻어 지금껏 별로 알려진 것이 없는 뇌의 고차 인지과정 등 뇌의 신비를 푸는데 도움이 되리라고 생각합니다. 특히, 뇌파의 주파수 변화는 신경전달물질과도 관계가 있습니다. 조현병(정신분열병), 치매 등 정신질환의 경우 신경전달물질이 떨어져 뇌파발생 주파수 변화가 생기고, 뇌기능 연결성이 저하됩니다. 이처럼 뇌파를 가시화 함으로써 정신질환의 정도를 정량화 할 수 있고, 훈련치료나 치료약의 효과를 행동학적인 잣대가 아닌 뇌생리학적인 향상으로 정량화하는 것이 가능하리라고 생각합니다.”

　“현 기술의 한계점은 기술 진입 장벽이 높다는 것입니다. 기반이 되는 극저자장 핵자기공명 측정기술은 초전도 소자 관련 세계 연구그룹 중에서도 그 기술이 가장 앞선 몇 그룹들만이 할 수 있는 기술입니다. 산업화를 하는데 있어서 높은 수준의 기술을 산업체쪽에 이전하는 데 어려움이 있지 않을까 우려됩니다.”

자기차폐실 내부에서 측정이 가능하다고 설명돼 있는데, 이는 뇌파에 의한 매우 미세한 자기장과 공명을 일으키야 하기 때문인지요?
　 “원리적으로 뇌파가 생체자기공명을 일으키려면 앞에서 말씀드린 것 처럼 마이크로테슬라 이하의 외부자기장이 있어야 합니다. 참고로 나침반을 움직이는 지구의 자기장이 50 마이크로테슬라 입니다. 결국 외부자기장을 마이크로 테슬라로 낮추려면 외부의 자기장을 차폐해야 합니다.”

기초적인 물음입니다만…뇌파가 자기장을 일으키는 원리는 어떻게 이해되는지요?
　 “뇌파는 뇌피질신경의 집단적인 주기적 흥분에서 발생합니다.  이때, 시냅스후 전위에 의해서 작은 신경전류가 발생합니다. 피질에서 신경의 방향이 한 방향으로 잘 정렬이 되어있으므로, 집단적으로 꽤 많은 전류가 한 방향으로 흐릅니다. 흐르는 전류 주변에는 자기장이 발생하고, 이 자기장이 양성자를 공명시킵니다.”

뇌기능의 시각화 기법들이 다양한 갈래로 발전하고 있습니다. 발전의 방향을 큰 그림으로 전망해주신다면?

　“일반적으로 단순한 일차적인 감각의 뇌기능 매핑, 즉, 뇌기능 지도는 이미 완성단계라고 생각합니다. 다음 단계는 뇌의 여러 부분이 어떻게 연결되어 통신하며 동작하는가를 알아야 더 복잡한 뇌의 기능을 이해할 수 있습니다. 많은 연구자들이 단순 building block의 결합이나 수학적 모델링, 네트워크 이론 등으로 뇌의 동작원리를 가정해보고 있습니다만, 뇌의 기능을 직접적, 포괄적으로 측정하는 장비는 없어서, 현재의 시각화 기법들이 보여줄 수 있는 제한적 정보만으로 가정들을 부분적으로 검증하고 있는 상황입니다. 뇌에 관해서 맹인의 코끼리 묘사가 되지 않으려면, 이미 개발되어있는 기법의 정보가 유기적으로 결합될 필요가 있고, 그 이상 무엇이 더 필요한 지를 판단하여 기존의 기법이 보여주지 못하는 부분을 보여주는 새로운 기법을 맞춤형으로 개발해야 한다고 생각합니다.”

답변 고맙습니다.　

http://scienceon.hani.co.kr/167764

사이언스온

[오리온]

매우 유용한 자료네요. 좋은 자료 소개~ 고맙습니다.

[감시범죄]

제 자료가 도움이 되었다니 기뻐요!
다른 분들께 기술이해에 도움이 되었다고 하니 정말 머지않아 기술공개가 되어 저희피해가 알려지리라 믿어요

[중복닉이 일베라서 닉바꾼 나그네]

좋은 자료 감사합니다.