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New Device and Method for Noninvasive Measurement of Human Brain Activity: Brain Conductivity Probe 사람의 뇌 기능 연구에 있어서 중요하게 부각되고 있는 것 중의 한가지가 머리를 절개하지 않고 뇌 내부의 신경세포의 활동을 영상화 하는 비침습 뇌기능 계측기의 개발이다. 전기 생리학에서 많이 사용되는 미소전극 방식은 뉴런 각각의 동작은 알 수 있지만 직접 사람에게 사용하기 위해서는 머리를 절개해야 하기 때문에 실질적인 응용성은 전혀 없다. 비침습 뇌기능 계측기는 신경과학, 의료용 진단, 뇌-컴퓨터 인터페이스 분야에서 특히 유용하게 사용되고 있다. 현재까지 이러한 목적으로 사용되고 있는 장치로는 다음과 같은 5가지가 전부이다. 1) 신경전류에 의한 electric potential을 검출하는 EEG(뇌파), 2) 신경전류에 의한 자기장을 검출하는 MEG, 3) 신경활동 상황을 혈액을 경유하여 전자-양전자 쌍소멸 시 발생하는 감마선의 검출로 영상화 하는 PET(Positron Emission Tomography; 양전자 방출 단층 촬영기), 4) 신경세포활동 시 증가하는 산소소모량의 증가를 영상화 하는 functional-MRI, 5) 역시 신경세포 활동 시 산소소모량을 적외선을 이용하여 검출하는 NIRS(Near Infrared Spectroscopy) 가 있다. 이들 장치의 공통된 목적은 신경흥분의 위치 추적이다. 이는 "뇌기능 국재설"과 관련하여 사고과정에 따른 뇌 신경위치 추적이 중요해 졌기 때문이다. EEG와 MEG의 경우 두피 상에 100개 이상의 전극을 배치 할 수 있고 이를 이용하여 전기장과 자기장의 분포와 시간적인 변화를 빠르게 관찰 할 수 있다. 그러나 이들은 치명적인 단점을 지니고 있는데, 전자기장의 source를 정확하게 알 수 없다는 것이다. 이는 측정되는 전기장과 자기장이 특정 신경세포에 의한 것 만이 아니라, 주변의 전도성 매질로 흐르는 불필요한 전류에 의한 신호의 왜곡 현상 때문이다. 한편, PET와 f-MRI의 경우에는 공간 분해능은 수 밀리미터 정도로 정밀한 공간분해능을 얻을 수 있지만, 신경세포의 활동을 직접적으로 검출하지 못하고 혈액을 경유하여 신경세포의 활동을 검출하기 때문에 시간 분해능을 1-2초 정도 밖에 얻지 못하는 치명적인 단점을 지니고 있으며, 기술적으로 해결할 수 없는 원리적인 한계이다. NIRS인 경우에도 마찬가지로 혈액을 경유하여 신경세포 활동을 추정하는 방법을 사용하므로, 역시 시간 분해능이 1-2초를 넘지 못하고 있다. 공간분해능은 수 센티미터 정도이다. 위와 같은 한계들은 뇌의 실증적인 연구에 있어 많은 제약이 되어 왔다. 따라서 현재 일부 연구자들은 이들의 한계를 극복하기 위한 연구를 진행하고 있다. 예를들어 sodium - MRI를 이용하여 뉴런 활동 시 나트륨이온의 미세한 이동을 영상화 하려는 시도가 진행되고 있고, 적외선을 이용하는 방법으로 뉴런 활동 시 미세하게 변화하는 산란광의 변화를 검출하려는 시도가 있다. 그러나 아직은 성공하지 못하고 있다. 본 연구에서는 이전까지는 전혀 시도되지 않았던 신경세포 활동에 의한 국소 전기전도도 변화를 비침습적으로 검출하는 시스템 구현을 목표로 한다. 현재 구성된 기초적인 시스템은 크게 뇌 전기전도 프루브 (brain - conductivity probe; BC-probe), 송신코일 구동부, 위상검출기, 전산화 데이터 수집 시스템으로 나뉘어 진다. 이 중에서 가장 중요한 것은 BC-probe이며 실제 신경세포 활동 시 수반되는 전기전도도 변화를 검출하는 센서이다. 본 연구에서는 뇌 세포 활동 시 전기전도도 변화가 수반될 것이라는 가정을 바탕으로 한다. 즉, 뇌의 어떤 신경세포 영역이 내부적 또는 외부적 자극에 의해 활동하게 되면 그 부분의 전기전도도 역시 변화한다는 가정을 하였다. 신경세포의 활동이란 세포막에 있는 이온 채널의 개방에 의하며, 채널의 개방에 의하여 이온의 이동이 원활해 진다. 전기적으로 보면 전기저항 또는 전기전도도가 변한다고 볼 수 있다. 본 연구의 목표가 바로 신경세포의 전기전도도의 변화를 비침습적으로 검출하려는 것이다. 위 사진에서와 같이 직접 제작한 BC-probe를 이용하여 사람을 대상으로 한 실험에서 사람의 뇌 전반적으로 배경잡음과는 구분되는 전기전도도의 요동을 관찰하였다. 좀더 확실한 증거 실험을 위하여 사람의 왼손 엄지 손가락을 전기자극 하였을 때 뇌의 체성감각영역 영역에서 나타나는 빠른 전기전도 변화를 관측 할 수 있었다. 이를 뇌파측정에 의한 유발전위와 비교해 본 결과 동일한 time -duration을 가짐을 알 수 있었다. 이 실험에 의하여 BC-probe의 시간분해능은 뇌의 빠른 사고과정을 충분히 검출할 수 있음을 확인하였다. 한편, 실험적으로 공간분해능을 추정하기 위하여 손가락자극이 검출된 위치로부터 0.5 cm 정도 떨어진 지점에 BC-probe를 배치한 결과 신호가 검출되지 않음을 확인하였다. 이로써 본 실험에 사용된 BC-probe의 경우 공간분해능이 대략 0.5cm 라고 말 할 수 있다. 이 실험을 통하여 본 연구의 시작점인 "신경세포 활동 시 전기전도도의 변화가 수반 될 것" 이라는 가정이 맞았음을 확인할 수 있었고, 시간분해능과 공간분해능 둘을 동시에 고려하였을 때 본 BC-probe는 기존의 어떠한 뇌 기능 계측기들보다 우수하게 사용될 수 있음을 확신할 수 있었다. |
