수십억 개의 신경세포로 구성된 인간의 뇌는 우리의 생각, 감정, 행동을 넘어서 의식과 정체성의 기초가 되는 기적과도 같은 기관입니다. 뇌의 복잡한 작용을 이해하는 것은 신경과학의 오랜 목표였습니다. 다행스럽게도 뇌영상기술 및 뇌파검사의 발전으로 의사와 연구자는 뇌에 손상 없이 뇌 활동을 보고 연구할 수 있게 되었습니다. 이 글에서는 기능적 자기 공명 영상(fMRI) 및 뇌파 검사(EEG)를 포함하여 인간 뇌의 신비를 푸는 데 이용되는 기술들을 살펴보겠습니다.
1. 기능적 자기공명영상(fMRI)
기능적 자기 공명 영상(fMRI)은 널리 사용되는 뇌 영상 기술로 혈중 산소수준의 변화를 측정하여 신경활동을 추론합니다. 특정 영역의 뇌가 활동을 하기 시작하면 더 많은 산소를 필요로 하므로, 그 영역에 높아진 혈중 산소량을 통해 뇌 활성을 추론하는 것입니다. 구체적으로 fMRI는 적혈구에 있는 헤모글로빈의 자기장적 성질을 감지하여 특정 과제나 휴식 중에 활성화되는 뇌 영역의 상세한 지도를 만들 수 있습니다. 이 기술은 뇌 기능, 뇌 연결성 및 뇌 조직에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 이 결과들은 인지 과정, 언어, 감정, 지각 및 다양한 신경학적 및 정신과적 상태를 연구하는 데 중요한 역할을 했습니다.
fMRI 데이터를 분석하려면 복잡한 신경 활동 패턴에서 의미 있는 정보를 추출하기 위해 정교한 계산 방법이 필요합니다. 연구자들은 통계 분석, 머신러닝 알고리즘 및 네트워크 분석을 사용하여 뇌의 기능적 구조를 밝히고 특정 작업 또는 조건과 관련된 뇌 네트워크를 식별합니다. fMRI 분석을 위해서는 기본적으로 Matlab과 같은 프로그래밍 언어를 이용합니다. fMRI 연구의 과제에는 데이터 전처리, 오신호 처리, 뇌 활동의 복잡한 패턴 해석이 포함됩니다.
2. 뇌파검사(EEG)
뇌파 검사(EEG)는 두피에 배치된 전극을 사용하여 뇌의 전기적 활동을 측정합니다. 수백만 개의 신경세포에서 생성된 전기 신호를 기록하여 뇌 활동의 급격한 변화를 즉각적으로 포착합니다. EEG는 뇌 활동의 변화, 사건 관련 전기활동, 수면이나 발작 활동을 연구하는 데 유용합니다. 뇌전증과 같은 신경학적 상태를 진단하고 모니터링하기 위해 임상 환경에서 널리 사용됩니다.
EEG를 사용함에 있어 특정 자극이나 사건들과 함께 뇌파를 측정할 때, 우리는 이것을 사건관련전위(ERP)라고 부릅니다. 즉, ERP라는 용어 자체에 특정 자극이나 사건에 의해 유발되는 전기적 뇌 반응을 살펴 보았다는 의미가 됩니다. 자극 제시를 기준으로 EEG 신호를 평균화하여 주의, 지각, 기억 및 언어와 같은 다양한 인지 프로세스와 관련된 뇌 신호 패턴을 추출할 수 있습니다. ERP는 인지기능의 기초가 되는 전반적인 신경활성 패턴에 대한 힌트를 제공합니다.
3. fMRI와 EEG를 결합할 수 있다? 다중 영상기술의 장점
동시 또는 다중 모드 이미징으로 알려진 fMRI와 EEG를 결합은 상호 보완적인 이점을 제공합니다. fMRI는 뇌 활동 구체적으로 어떤 뇌 영역에서 일어나는지 알려줄 수 있다면 EEG는 뇌 활동이 정확히 어떤 시점에 일어나는지 알려줄 수 있습니다. 두 기술을 통합함으로써 연구자들은 신경망의 역학을 조사하고, 뇌 영역 간의 관계를 이해하고, 인지 과정의 기본 메커니즘을 밝힐 수 있습니다. fMRI-EEG는 뇌전증, 수면 장애, 의식과 같은 상태를 연구하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
4. 확산텐서영상(DTI)
확산 텐서 영상(DTI)은 뇌 조직에서 물의 확산을 측정하는 MRI 기반 기술입니다. 사실 MRI 기계는 애초에 물이 갖는 자기적 성질을 통해 인간의 뇌를 알아보는 기술입니다. 이때 신경세포의 회로가 지방, 즉 기름으로 둘러쌓여져 있다는 것을 생각해봤을 때, 그 내부에 있는 물의 움직임은 굉장히 제한적일 수 밖에 없습니다. 이 성질을 이용하여 뇌에 존재하는 신경세포의 회로를 시각화하는 것이 DTI의 핵심입니다. 따라서 DTI는 뇌의 구조적 연결성에 대한 정보를 제공하여 뇌 경로의 구조적 통합성과 방향을 나타냅니다. 이를 통해 기존 MRI에서는 뇌의 국부적 영역에서 보이는 구조적 특징을 통해 뇌의 기능을 추론했다면 이제는 뇌 영역 간 연결을 통해 뇌 발달, 신경장애의 연결성 변화, 뇌 손상의 영향을 연구하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.
5. 양전자방출단층촬영(PET)
양전자방출단층촬영(PET)은 뇌의 대사 및 생리적 과정을 측정하는 핵의학 영상 기술입니다. PET은 혈류에 양전자를 방출하는 물질을 주입하는데, 이 물질이 뇌 조직과 상호 작용하는 과정에서 양전자를 방출합니다. 이러한 상호 작용을 감지함으로써 PET 스캐너는 뇌 활동, 신경 전달 물질 수용체, 혈류, 포도당 대사에 대한 상세한 지도를 생성할 수 있습니다. PET은 알츠하이머병, 뇌전증, 정신 장애와 같은 상태를 연구하는 데 매우 중요한 역할을 해왔습니다.
6. 뇌 영상 기술의 미래
뇌 영상 및 뇌파 기술의 상당한 발전에도 불구하고 몇 가지 과제가 남아 있습니다. 여기에는 더 정확한 뇌 영역 위치와 시간 정보를 얻기 위한 기술 개발과 뇌 바깥에서 유입되는 불필요한 신호 처리, 연구 결과의 재현성 보장 등이 포함됩니다. 향후에는 휴대용 뇌 영상 장치의 개발, 데이터 분석 방법의 발전, 뇌 활동에 대한 종합적인 이해를 얻기 위한 다중 영상의 통합이 포함됩니다.
또한 뇌 측정 기술은 신경과학 연구에 혁명을 일으켰고 임상 적용에 지대한 영향을 미쳤습니다. 사실상 뇌영상기술이 등장함에 따라 뇌를 기반으로 살아 있는 인간의 정신 기능을 연구할 수 있는 시대가 본격화되었다고 해도 과언이 아닙니다. 이 기술들은 뇌 기능에 대한 우리의 이해를 향상시켰고, 신경학적 및 정신과적 상태에 대한 바이오마커를 식별하는 데 도움을 주었으며, 조기 진단을 용이하게 하고, 치료 전략을 안내하고, 치료 개입의 효과에 대한 통찰력을 제공했습니다.
마치며
fMRI, EEG, DTI 및 PET와 같은 뇌 측정 기술은 뇌 활동을 시각화하고 뇌 신호를 읽어들여 우리의 연구 능력에 혁명을 가져왔습니다. 이러한 비침습적 기술은 인간 두뇌의 복잡성을 이해하고, 인지 과정을 밝히며, 신경학적 및 정신과적 상태를 조사할 수 있는 새로운 길을 열었습니다. 발전이 계속됨에 따라 뇌 영상은 분명히 뇌에 대한 지식을 넓히고 환자 치료를 개선하며 신경과학 분야를 변화시키는 데 중추적인 역할을 할 것입니다.