IV. 현대의 뇌 연구 (연구기법)

## 목차 

IV. 현대의 뇌 연구 (연구기법)

    [1] 자기공명영상

        (1) MRI

        (2) fMRI

        (3) DTI

    [2] 뇌전도스캐너 EEG

    [3] 양전자방출단층촬영 PET

    [4] 두뇌 속 자기장 측정장치

        (1) 뇌자도측정기 MEG

        (2) 경두개전자기스캐너 TES

        (3) 근적외선 분광기

    [5] 뇌심부자극술

        [6] 광유전학

IV. 현대의 뇌 연구

1990년대 물리학을 이용한 새로운 기술이 도입되면서 생각의 발생과 진행 과정을 구체적으로 규명하게 되었다. 이 과정에서 가장 큰 공헌을 한 장치는 MRI이다.

 

 

[1] 자기공명영상 (Magnetic resonace imaging, MRI)

(1) 자기공명영상(MRI)

MRI는 전자기파의 한 종류인 라디오파가 생체조직에 발사될 때 아무런 손상없이 통과함을 이용한 장치이다. 전자기파가 사람의 두뇌를 자유롭게 통과한다는 점을 이용해, 감각과 감정을 일으키는 살아있는 두뇌의 모습을 확인할 수 있다.

MRI의 작동원리는 다음과 같다. 환자가 두 개의 대형코일이 에워싼 실린더 안으로 밀어넣어지면, 기기 내부에 강력한 자기장이 형성되면서 환자의 몸을 구성하는 원자핵들이 자기장의 방향을 따라 일사불란하게 정렬된다. 여기에 약간의 라디오파 에너지 펄스를 가하면 원자핵 일부가 반대방향으로 뒤집어졌다가 금방 원래 위치로 되돌아오는데, 이 과정에서 두 번째 라디오파 펄스가 방출된다. 두 번째 펄스는 첫 번째 펄스에 대한 메아리로서, 이 신호를 분석하면 각 원자의 위치를 판독할 수 있다. MRI는 라디오파의 메아리를 분석하여 두뇌의 내부구조를 데이터로 변환하고, 이 데이터를 컴퓨터로 보내서 스크린에 두뇌의 3차원 영상을 선명하게 나타낸다.

 

(2) 기능성 MRI(functional MRI, fMRI)

 

초기의 MRI는 두뇌 각 부분의 정적인 구조만 촬영할 수 있었으나, 1990년대 중반 혈류 속의 산소를 감지하는 기능성 MRI(functional MRI, fMRI)가 개발되면서 획기적인 발전이 이루어졌다. MRI는 뉴런에 흐르는 전기신호를 직접 촬영할 수 없다. 그러나 뉴런에 에너지가 공급되려면 산소가 반드시 있어야 하므로, 산소를 함유한 피는 뉴런에 흐르는 전기신호와 간접적으로 연결된다. 그래서 산소의 흐름을 추적하면 두뇌의 다양한 부위들이 상호작용하는 패턴을 알아낼 수 있다.

MRI스캐너가 등장 한 후로 생각의 경로가 추적 가능해졌다. 무언가를 생각할 때, 전기에너지는 뇌의 각 부위를 순환하듯이 돈다. MRI의 장점중 하나는 두뇌의 스캔 영역을 몇 분의 1mm단위로 세분할 수 있다는 점이다. MRI 영상은 2차원 스크린 혹은 3차원 공간상에 표현 가능하다.

 

3) 확산 MRI(diffusion tensor imaging MRI, DTI)

 

라디오파 펄스의 진동수를 바꾸면 신체의 다양한 부위를 촬영할 수 있다. fMRI는 혈류의 흐름을 추적하기 위한 장치이므로 피에 함유된 산소원자를 감지하는데 특화되었다. 라디오파의 진동수를 바꾸면 다른 원자를 감지할 수도 있다. 확산텐서영상 MRI(diffusion tensor imaging MRI, DTI)가 그 예이다. 이 장치는 두뇌에서 물의 흐름을 측정하는 장치다. 뇌 안에서 물은 뉴런의 연결망을 따라가기 때문에 복잡하게 얽힌 뉴런 네트워크를 선명한 사진으로 관찰 가능하다.

MRI는 거짓말 탐지기로도 활용 가능하다. 일부 연구에 의하면 신뢰도가 95%에 육박한다고 한다. 사람이 거짓말 할 때는 안와전두피질(orbitofrontal corex, 사실을 검증하는 일을 전담하는 부위이다)이 할 일이 많아져서, 전전두엽과 두정엽이 활성화된다. 안와전두피질은 진실과 거짓말의 차이를 이해하는 것이 주된 기능인데, 무언가가 잘못 되었을 때 경고신호를 보낸다. 그래서 거질말을 계속하다 보면 이 부위에 과부하가 걸려 MRI에 쉽게 감지된다.

하지만 아직 MRI 기술엔 몇 가지 문제점이 있다. 첫째로 MRI는 공간적 해상도가 매우 뛰어남에도 시간적 해상도는 그리 높지 않다. MRI로 뇌 속에 흐르는 피의 모든 경로를 촬영하는데는 거의 1초가 걸린다. 즉, 혈류의 동영상을 찍는데 1프레임당 1초가 걸린다는 뜻이다. 우리가 TV로 보는 영상들은 보통 1초당 30프레임이 지나가기에 이는 턱없이 부족한 수치이다. 두 번째는 비용 문제로, MRI는 한 대당 수십억에 해당하는 비싼 장비이기에 보통 여러명이 한 대의 기계를 공유하는 경우가 많다.

 

[2] 뇌전도 스캐너(Electroencephalogram, EEG)

 

EEG는 전극을 통해 두뇌의 내부를 스캔하는 장치이다. EEG를 사용하려면 환자는 전극이 빼곡이 연결된 헬멧을 써야한다. 이 전극이 뇌에 흐르는 미세한 전류신호를 감지하여 컴퓨터로 전송하면, 그에 해당하는 두뇌영상이 만들어진다.

EEG는 MRI스캔과 확연히 구별되는 장치이다. MRI는 두뇌 속으로 라디오파 펄스를 발사한 후 그 ‘메아리’를 분석하는 장치로서, 펄수의 진동수를 조절하면 특정 원자를 골라서 분석할 수 있다. 이와 반대로 EEG는 매우 수동적인 장치이다. EEG는 뇌가 자연적으로 방출하는 희미한 전자기파를 받아서 분석하는 장치이다. 다만 뇌에 흐르는 넓은 진동수 대역의 전자기파를 전체적으로 감지하는 능력이 뛰어나기에, 과학자들은 환자가 잠잘때나 무언가 집중할 때, 휴식할 때, 꿈꿀 때 뇌의 활동을 기록하고 분석하는데 EEG를 사용한다. 또한 MRI는 시간에 따른 피의 흐름을 1초당 몇 장밖에 찍을 수 없지만, EEG는 뇌의 전기적 활동을 순식간에 촬영 가능하다. 단 EEG는 해상도가 매우 낮다는 단점이 있다. 최종적으로 얻은 EEG 사진으로부터 ‘어떤 뇌파가 두뇌의 어느 부위에서 발생했는지’조차 알아내기 쉽지 않다.

 

[3] 양전자방출단층촬영(positron emission tomography, PET)

 

PET는 세포에너지의 원천인 포도당의 위치를 추적하여 두뇌 속의 에너지 흐름을 감지하는 장치이다. 기본 원리는 포도당 속의 나트륨에서 방출된 소립자를 추적하는 것이다. PET 스캐너를 사용하려면 먼저 약간의 방사능을 띤 설탕 용액을 환자 몸에 주입해야 한다. 그러면 설탕 분자에 포함된 나트륨 Na원자가 방사성 22Na원자로 대치되고, 이 원자가 붕괴될 때 방출한 양전자가 감지기에 검출된다. 이런 식으로 방사성 원자의 이동경로를 추적하면 살아있는 뇌 안에서 에너지 흐름을 파악할 수 있다.

PET는 MRI처럼 해상도가 높지 않지만 에너지가 소모되는 현장을 직접 관측하기에 신경활동에 관한 정보를 훨씬 많이 담을 수 있다.

 

[4] 두뇌 속 자기장 측정 장치

자기장은 두개골을 절개하지 않고 뇌 특정 부위의 활동을 잠재우는데 이용된다. 이런 식의 조작이 가능한 이유는 “빠르게 변화하는 전기장은 자기장을 만들어내고, 빠르게 변화하는 자기장은 전기장을 만들어낸다”는 전자기학의 기본원리 때문이다.

 

(1) 뇌자도측정기(magnetoencephalgraphy, MEG)

 

두뇌에 생성된 전기장은 생각이 진행되면서 수시로 변하고, 이 변하는 전기장은 미세한 자기장을 만들어낸다. MEG는 두뇌에서 생성된 자기장을 감지하도록 만들어진 장치로, 지구자기장의 10억분의1에 불과할 정도로 미세한 자기장도 탐지 가능하다. MEG는 시간에 따른 해상도가 높아서 한 프레임을 찍는데 천분의 1초밖에 걸리지 않지만, 공간 해상도는 매우 낮아서 사진을 구성하는 픽셀하나의 크기가 무려 1cm3이나 된다.

 

(2) 경두개전자기스캐너(transcranial electromagnetic scanner, TES)

수동적인 MEG와 달리, TES는 강력한 전기펄스로부터 폭발적인 자기에너지를 발생시키는 장치이다. 이것을 환자의 머리 근처에 고정해놓으면 자기펄스가 두개골을 통과하면서 뇌 안에 또 다른 전기펄스를 만들어낸다. 이 두 번째 전기펄스는 뇌에서 미리 선택해놓은 영역의 활동을 둔화시키거나 아예 정지시킬 정도로 강력하다. TES는 원하는 부위의 기능을 마음대로 정지할 수 있으며, 장치를 제거하면 환자는 바로 정상을 회복하기에, 두뇌의 특정 부위가 기능을 멈췄을 때 어떤 증세가 나타나는지 안정적으로 알아볼 수 있다.

하지만 TES의 단점 중 하나는 자기에너지가 뇌의 깊은 부분까지 침투하지 못한다는 것이다. 그래서 TES는 두개골 근처의 뇌를 잠재우는데는 효과적이지만, 대뇌번연계와 같이 깊은 내부에는 적용할 수 없다.

 

(3) 근적외선분광기(near-infrared spectroscopy, NIRS)

NIRS는 근적외선의 스펙트럼을 분석하는 장치이다. NIRS는 혈액 내 헤모글로빈의 농도 변화를 측정함으로서 두개골 근처 신경활성을 가늠하고, 이를 통해 뇌 기능을 알아내는 기법이다. 부분적으로 fMRI를 대체할 수 있다. 하지만 NIRS는 대뇌 피질조직만 스캔가능하기에 fMRI처럼 광범위한 뇌의 활동을 측정할 수는 없다.

 

[5] 뇌심부자극술(deep brain stimulation, DBS)

뇌심부자극술은 뇌 각 부분의 기능을 알아내는 연구 장비인 동시에 정신적 장애를 치료하는 의료장비이다. 뇌조율기라 불리는 의료장치를 뇌 안에 이식해 뇌 활동에 직접적으로 영향을 주어 질병을 치료한다. 뇌조율기는 전극의 한 종류인데, 뇌의 신호를 측정하는 역할을 한다. 이러한 뇌조율기는 뇌의 특정부위에 전기적 자극을 보낼 수 있다. 만성 통증, 파킨슨병, 근긴장이상증 등의 효과적인 치료를 위해 특정 뇌 부위에 뇌 심부 자극술을 할 수 있다.

 

[6] 광유전학

광유전학은 신경과학의 최신 기술이자 가장 주목받는 분야이다. 두뇌에 밝은 빛을 쪼이면 해당 부위의 신경망이 활성화되는데, 광유전학은 이런 특성을 이용한 기술이다. 외과수술을 통해 빛에 민감하면서 세포를 활성화하는 유전자를 뉴런에 직접 삽입한 후 빛을 쪼이면 해당 부위의 뉴런이 활성화된다. 여기서 스위치를 켜거나 끔으로서 피험자에게 특정 행동을 유발하거나 방지할 수 있다.

 

(참고 책)

마음의미래 – 미치오 카쿠

마이어스의 심리학

인지신경과학과 신경심리학

신경정신의학

 

(참고 기사)

광유전학 활용 기사1

http://news.joins.com/article/15815301

광유전학 활용 기사2

http://www.mpress.kr/news/articleView.html?idxno=50

광유전학 활용 기사3(시력회복)

http://www.sciencetimes.co.kr/?news=광유전학과-장님-생쥐의-시력회복