제목: Event-related functional MRI: Past, present, and future 저자: Bruce R. Rosen, Randy L. Buckner and Anders M. Dale 출처: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 95, pp. 773-780, Feb. 1998.

Event-Related Functional MRI

서론

지난 20년간 뇌기능 이미징 분야가 급속도로 성장하여 PET와 fMRI는 뇌지 도 작성에 적극 사용되고 있다. 거의 대부분 1분 이상이나 지속되는 평형 변화 (equilibrium change)를 검출하고 있다. 그러나 다행히 고속 MRI 의 출현으 로 수 초정도의 빠른 시간 분해능으로 뇌 혈류변화를 검출할 수 있게 되어 일 시적인 변화도 검출 할 수 있게 되었다. 또한 신경자극 후 수 백 밀리초에 나타 나는 큰 혈액변화를 검출 할 수 있기 때문에 단일 감각 자극 반응등을 측정하 는 새로운 종류의 실험 전략도 세울 수 있게 되었다. "Event-related fMRI" 로 불리는 이 방법은 뇌 기능 연구의 새로운 수단을 제공해 주고 있다.

Dynamic Physiology and fMRI

상자성 트레이서를 사용한 초창기의 fMRI는 혈류변화를 기록하기 위해서는 수 분이상의 시간이 소요되었었다. 그러나 MRI에서의 큰 발전에 힘입어 이러 한 한계가 깨어졌다. 그 첫째가 1980년대 말에 개발된 rapid-MRI이다. 이 기술 은 한번의 radio-freuency exciting에 의해서 2차원 영상을 얻는 기술이다. 또 한가지는 카네기 멜론 대학의 Derte, 와 그의 동료들에 의해서 처음으로 제 안된 방법으로 arterial spin labeling 기술이라고 부른다(역자 주 : 억지로 번역하자면 "동맥 스핀 표식법" 이라고나 할까?). 또 한가지의 기작으로 조직내 의 deoxyhemoglobin 에 의한 국부적 자화(magnetization) 변화를 검출하는 기 술로 blood-oxygen-level-dependent (줄여서 BOLD) contrast라고 부르는 것 이 있다. BOLD-contrast와 arterial spin labeling을 "endogeneous contrast" 라고 지칭한다. Endogeneous contrast기술과 rapid-MRI 기술의 결합에 의하여 사람의 뇌 활동을 성공적으로 검출하게 되면서 큰 반향을 불러일으켰다. 다음 그림 1 과 같이 MR 신호는 신경자극에 따라서 매우 동적으로 변화함이 확인된다. 그림 에서 화살표로 표시된 부분을 주의 깊게 봐야한다. 자극이 주어진 후 수 초 내 에 MR신호의 변화가 나타난다.


그림1

Future Developments

혈류변화를 검출하는 방법으로 얻을 수 있는 궁극의 시간 분해능의 한계 는 아지 명확히 말 할 수 있는 단계는 아니다. BOLD 나 arterial spin labeling 실험에서 시간지연이 수 초 정도로 생긴다고 해서 이것이 측정의 시 간 분해능에 해당하는 것은 아니다. 실제로 시간 분해능은 측정법의 신호대 잡 음비에 영향을 받고, 더욱 궁극적으로는 혈류변화 메카니즘에 내재하는 편차에 의존한다. 실험적으로 지연시간의 편차는 대략 0.5초에서 1초 정도로 보고 되 고 있다. 시간지연의 편차를 보상하는 2가지의 방법이 시도되고 있는데 그 중 하나는 사용되는 자기장의 세기를 증가시키고 고주파 수신 기술을 향상시켜 신 호대 잡음비를 향상하려는 방법이고 또 한가지 방법은 특정 조건하에서 '기저 혈류변화 지연(baseline hemodynamic delay)'에 대한 상대적인 변화를 검출하 려는 것이다. Savoy등은 이와 같은 방법으로 시각피질에서 0.5초 정도의 시간 지연을 검출하였다. 현재까지 보고되는 event-related MRI실험 결과로 봐서는 매우 "빠르게" 혈류변화를 검출 할 수 있는 것으로 보인다(대략 수 초에서 수 백 밀리초 정 도). 그러나 "빠르다"라는 것은 어디까지나 상대적인 표현일 뿐이다. 수 초 이 상이나 긴시간 동안 이뤄지는 사람의 정신적 변화 정도는 검출 할 수 있겠지만 실제 사람의 대부분의 사고 과정이 이토록 느리게 진행되지는 않는다. 분명히 혈액 검출을 통한 fMRI로는 불가능하다. 충분히 빠른 비침습 계측장치로는 EEG (뇌파)와 MEG(뇌자기장)가 유일하다. 그러나 불행하게도 이들 장치들은 공간 분 해능이 열악하다. 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 최근에는 EEG, MEG와 fMRI를 동시에 측정하는 기술이 개발되고 있다. 그 한 예로 fMRI와 MEG를 동시 에 사용한 예를 다음 그림 6에 보이고 있다.


그림6

결론

fMRI 분야에서 두 가지의 발전이 있어야만 하는데, 그 중 한가지는 더욱 강 한 자기장을 사용하고 수신 코일 기술의 향상에 의해 신호대잡음비를 향상 시켜 야 하며, 또한 새로운 신호처리 방법을 개발하여 민감도를 높여야 할 것이다. 5 년 후에는 뇌기능 이미징 분야에서 새로운 장을 열게 될 것이다.
코멘트 fMRI는 뇌 혈류 변화를 검출하는 한 가지 방법이다. 뇌기능 이미징의 궁극적 인 목표는 신경세포의 활동을 보고자 하는 것이며 논문에서도 언급하고 있지만 뇌세포의 활동을 충분히 포착 할 수 있을 만큼 빠른 검출능력이 필요하다. 논문 의 결론에서 제시 하듯이 fMRI 장치개선과 신호처리만으로 이것이 가능할까? 그렇지 않은 것 같다는 것이 개인적인 의견이다. 아무리 측정기기의 속도가 빨라진다고 해서 검출능력이 향상되는 것이 아니다. 중요한 것은 측정에 사용 되는 원리이다. 아무리 장치가 수 마이크로 초의 반응을 검출 할 수 있다고 해 도 실제 반응이 수 초 단위로 발생하는 현상이라면 원리적으로 불가능한 것이 된다. fMRI의 경우 신경세포가 활동할 때 수반되는 혈액의 변화를 검출하는데, 문제는 혈액의 변화가 신경세포의 활동을 충분히 따라갈 수 있느냐가 관건이 다. 불행이도 이와 관련된 실험은 이뤄진 것 같지는 않다. 추정을 해보자 ...신경세포 활동의 빠르기를 주파수로 나타내면 최대 1000 Hz정도이다. 즉, 1/1000초 정도의 빠르기로 활동한다. 혈액반응이 신경세포 활 동에 의존하면서 이 정도의 빠르기로 변화가 생겨야만 가능하다. 정확한 정보 가 없기에 뭐라고 단언할 수는 없지만 교육된 직관에 의하면 그리 빠를 것 같지 는 않다.