뇌기능자기공명영상 (fMRI, functional Magentic Resonance Imaging)

자유로운 상태에 있는 체내의 양성자는 강한 자장 (0.1-2 Tesla, 1 Tesla=10,000 gauss) 내에서는 일정한 방향으로 정렬하게 된다. 이렇게 정렬된 체내의 양성자(대개는 수소의 원자핵)를 여기(Excitation)시키고, 여기 상태의 양성자를 다시 이완(Relaxation)시키면 여기된 양성자가 이완되면서 외부로 에너지를 방출하게 된다. 이때 방출되는 에너지는 체내 각 부위의 원자 갯수, 종류, 혹은 주변 조직과의 관계에 따라 다양한 특성을 갖게 되며 이렇게 자장경사에 의해 공명(Resonance)되는 주파수의 전자파 신호를 검출하여 컴퓨터로 계산한 후 인체의 각 부위의 신호강도(Signal Intensity)를 단면상으로 나타내면 자기공명영상을 얻을 수 있다. 이 때, 자장 내에서 조직에 따라 종축/횡축으로 일어나는 이완에 걸리는 시간이 다르기 때문에 얻을 수 있는 신호의 변화나 양자농도 (Proton Density)에 따라 달라지는 신호의 크기를 강조하여 영상을 만들면 조직의 특성에 관한 다양한 정보를 알아낼 수 있다. 이러한 방식들은 대체로 인체의 해부학적인 특성에 대한 영상을 얻기 위해 사용되는데 1990년대 초반에 뇌가 기능을 하기 위해서는 혈류내의 산소량이 변화한다는 사실을 기반으로 뇌의 기능에 대한 영상을 획득하는 뇌기능 자기공명영상 기술 (functional MRI, fMRI)이 개발되었다. 외부 자극에 따라 혹은 자체적으로 뇌가 반응하게 뇌면 활성화된 뇌의 특정부분에는 혈류가 증가하기 때문에 혈류 증가에 따른 신호 변화량을 MRI로 감지하면 뇌의 기능적 영상을 얻을 수 있게 되는 것이다. 이렇게 기능에 따른 뇌의 활성화 지도를 얻기 위해서는 뇌의 일부가 활성화 되었을 때 그 부분이 생리학적으로 어떻게 변화하는지를 알고 활성화 되지 않은 상태와의 상대적인 차이를 영상화 하는 것이 필요한데, fMRI에 사용되는 뇌기능의 생리학적 특징은 다음과 같다.

 

뇌의 각 부분에 산소를 공급해 주기 위해서 헤모글로빈은 산소와 결합된 옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin)의 형태로 혈액 내에 존재한다. 평상시의 뇌는 필요한 만큼의 산소를 옥시헤모글로빈에서 공급받게 되고 에너지 생성을 위해 산소를 공급해준 옥시헤모글로빈은 다시 산소가 결합되지 않은 디옥시헤모글로빈 (deoxyhemoglobin)의 형태로 변화하게 되기 때문에 평상시 혈액 내에는 일정한 비율의 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈이 존재하게 된다. 하지만 뇌의 일부분이 활성화 되면 뇌의 활동에 필요한 에너지를 생성하기 위해서 평소보다 많은 양의 산소를 필요로 하게 되는데 그 결과 활성화 영역에서는 부분적 산소요구량이 증가하게 된다. 이러한 산소요구량을 충족시켜 주기 위해서 해당 영역에는 더 많은 혈액이 유입되게 되며 결과적으로 옥시헤모글로빈의 양이 디옥시헤모글로빈의 양보다 많아지게 된다. 서로 다른 특성을 가지고 있는 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈은 자기공명 신호 크기에 영향을 주게 되며, 결과적으로 활성화 영역은 활성화 되지 않은 영역보다 큰 자기공명 신호를 발생시키게 되는 것이다.

간단히 설명하자면, 뇌기능 자기공명영상이라는 것은 뇌가 활성화 될 때 일어나는 변화를 혈류내의 산소 용존량의 변화라는 과정으로 단순화 시키고 산소량의 변화에 따른 자기공명 신호의 크기 변화를 측정하여 뇌의 어떠한 부분이 활성화 되었는지를 찾아내는 방식이라고 할 수 있다.

 

이러한 생리학적 특성을 바탕으로 fMRI 실험을 수행하기 위해서 피실험자는 MRI 기기 안에서 실험 목적에 적합한 과제를 부여 받게 된다. 피실험자가 과제를 수행하고 있을 때와 수행하고 있지 않을 때 각각의 뇌 영상을 실시간 MRI로 얻는 실험을 하여 두 MRI 영상의 차이를 비교해 보면 피실험자가 과제를 수행하고 있는 동안에 뇌의 어느 부분이 활성화 되었는지를 알 수 있게 된다. 결과적으로 뇌기능 자기공명영상의 최종 목적은 이런 일련의 과정들을 통해서 뇌의 각 부분이 신체 활동 중에서 어떠한 부분을 담당하고 있는지를 알아내는 것이다.

 

뇌기능 MRI는 방사능을 이용한 PET (Positron Emission Tomography) 이나 SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography), 또한 EEG (electro-encephalography) MEG (magneto-encephalography)에 비하여 공간 해상도가 월등하다는 이점이 있다. , 뇌기능 MRI는 다른 영상기법보다 공간 해상도가 뛰어나면서 비침습적인 특성을 가지기 때문에 뇌과학 연구에 많이 사용되고 있다. 특히, 최근에는 3.0 Tesla 이상의 고자장 MRI 기기가 빠른 속도로 이용되고 있기 때문에 좀더 좋은 신호와 고해상도의 화질을 바탕으로 fMRI 연구에도 새로운 발전 가능성을 제시하고 있으며 이는 결과적으로 실제 뇌신경의 활동과 공간적으로 좀더 밀접한 유사도를 가져오게 되기 때문에 고해상도의 뇌기능 지도 작성에 도움이 될 것으로 보인다.

 

 

 

 

fMRI 실험 예시

조기/후기 영어 교육 관련 뇌 영역 활성화 차이  (Bilingual관련)

조기습득자: 13세 이전에 외국에서 2년 이상 체류한 경험이 있는 고등학생과 대학생 6

왼쪽: 조기습득자의 한글/영어 실험시의 반응 (노란색은 빨강과 초록이 겹쳐있는 부분임)

오른쪽: 일반 고등학생/대학생들의 한글/영어 실험시의 반응

 

이 실험의 결과로부터 조기습득자의 경우 한글과 영어를 특별히 다르게 인식하지 않고 단일한 언어처리의 과정을 통해 인식하는 반면 조기습득자가 아닌 경우에는 한글과 영어를 다르게 인식, 다른 경로로 처리한다는 것을 추론해 볼 수 있다.

 

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갑자기 필요해져서 쓴 글.
전문적인 내용은 가끔 한글로 쓰는게 더 어렵기도 하다. 


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