1. fMRI

구조를 볼 수 있는 MRI와 더불어 뇌의 활동을 영상화하여 특정 기능과 관련된 뇌의 영역을 알아보는 방법을 기능적 자기공명영상 (functional Magnetic Resonance Image, fMRI)이라고 한다. fMRI는 산소와 결합한 헤모글로빈과 탈산소 헤모글로빈의 농도 차이에서 생기는 신호의 차이를 시각화한 것으로 비침습적(non-invasive)이면서 기능을 국재화하는데 장점을 가지고 있으나 사건관련 전위에 비해 시간적인 해상도는 떨어진다는 단점이 있다. 최근 들어서는 단순히 특정 기능을 하는 영역을 국재화하는 것보다는 기능과 관련된 네트워크를 밝히고 네트워크 각 영역들간의 활성화 패턴을 알아보고자 하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 우리 연구실에서도 이러한 기능과 관련된 영역 및 네트워크를 알아보는 연구들이 진행되고 있으며, 정신분열병이나 강박증과 같은 질환을 가진 경우에 활성화 패턴이 어떻게 달라지는 지를 알아봄으로써 인지과정에 대한 보다 역동적인 접근을 하고 있다.

두뇌의 특정 영역이 활동을 하게 되면, 초기에는 주변의 산소를 사용하여 다른 영역에 비해 산소량이 떨어지지만 2-4초 후에 일시적으로 혈당과 산소공급과 더불어 혈류가 증가하게 된다. 일시적으로 공급되는 산소는 필요한 양보다 많이 공급되는데, 이 때 생긴 산소와 결합한 헤모글로빈과 탈산소 헤모글로빈 농도 차이에 의한 신호를 기저상태와 비교하여 나타내어 뇌의 어느 영역에서 활동이 일어나고 있는지를 보여주게 된다. 대부분의 fMRI 연구에서는 fMRI와 더불어 MRI를 함께 얻어 두 영상을 함께 보는 방법을 통해 뇌의 특정 부위의 기능을 알아볼 수 있게 된다. MRI가 수소 분자의 신호차이를 이용한 것인 반면, 자기공명영상 (Magnetic Resonace Image, MRI)은 두뇌의 해부학적, 구조적인 측면을 수소 분자의 특성을 이용하여 영상화하는 방법이다. 우리 두뇌의 백질 (white matter)과 회백질 (gray matter)는 수소 분자의 밀도가 다르기 때문에 분자의 밀도 차이에서 얻어지는 신호차이를 시각화 한 것이다.

이렇게 구조를 볼 수 있는 MRI와 더불어 같은 기계로 뇌의 활동도 시각화 할 수 있는데, 이 방법으로 뇌의 기능을 알아볼 수 있다는 의미에서 기능적 자기공명영상 (functional Magnetic Resonance Image, fMRI)이라고 한다. 대부분의 fMRI 연구에서는 fMRI와 더불어 MRI를 함께 얻어 두 영상을 함께 보는 방법을 통해 뇌의 특정 부위의 기능을 알아볼 수 있게 된다.

Source: fMRI for Newbies (http://defiant.ssc.uwo.ca/Jody_web/fmri4dummies.htm)

MRI가 수소 분자의 신호차이를 이용한 것인 반면, fMRI는 산소와 결합한 헤모글로빈과 탈산소 헤모글로빈의 농도 차이에서 생기는 신호의 차이를 시각화한 것이다. 두뇌의 특정 영역이 활동을 하게 되면, 초기에는 주변의 산소를 사용하여 다른 영역에 비해 산소량이 떨어지지만 2-4초 후에 일시적으로 혈당과 산소공급과 더불어 혈류가 증가하게 된다. 일시적으로 공급되는 산소는 필요한 양보다 많이 공급되는데, 이 때 생긴 산소와 결합한 헤모글로빈과 탈산소 헤모글로빈 농도 차이에 의한 신호를 기저상태(resting state)와 비교하여 나타내어 뇌의 어느 영역에서 활동이 일어나고 있는지를 보여주게 된다. 그래서 fMRI를 이용하여 뇌기능을 연구하고자 할 때는 다른 기능은 적절히 통제하고 보고자 하는 기능을 잘 유발하는 활성화 과제 (activation paradigm)를 잘 디자인하는 것이 중요하다.

Modified from fMRI for Newbies (http://defiant.ssc.uwo.ca/Jody_web/fmri4dummies.htm)

사건 관련 전위(event-related potential, ERP)가 뇌에서 일어나는 신경활동(neuronal acivity)를 두피에서 측정하는 것인데 반해 fMRI는 위에서 언급한 것처럼 신경활동이 일어나고 그 결과로 생기는 혈류내의 산소의 변화를 측정하여 간접적으로 신경활동을 알아보는 방법으로 순간적으로 이루어지는 많은 신경활동을 구분하여 포착할 수 없다는 단점이 있지만, MRI와 함께 영상화 할 수 있기 때문에 공간해상력이 뛰어나다.

 

 

2. fMRI 소프트웨어

fMRI 를 분석하는 툴에는 여러 가지가 있으나 그 중에서 주로 사용되는 소프트 웨어로는 SPM, BRAINVOISER, AFNI 등이 있고 그 중에서 SPM, AFNI 를 주 툴로 사용하고 있다.

 

SPM (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/ )

SPM 은 statistical Parametric Mapping 으로 EPI 이미지를 분석하여 활성화 패턴을 알아보는 소프트웨어이다. 얻어진 EPI 이미지는 다양한 과정을 거쳐 분석이 이루어지는데 이미지 전처리 과정에서 통계처리까지 SPM 을 사용하여 분석할 수 있다.

일반적인 과정을 살펴보면 우선적으로 촬영을 하는 동안의 움직임을 보정해 주기 위해 Image realignment 과정을 거친다.

그리고 EPI 이미지를 찍은 후에 T1 이미지를 찍었기 때문에 서로 공간상의 위치가 다를 수 있기 때문에 이러한 위치 차이를 보정해 주어야 한다. 따라서 T1 이미지와 EPI 이미지를 맞추어 주는 Coregistration 과정을 거친다.

여러 사람의 이미지를 모아서 그룹 분석을 하고, 활성화 되는 영역이 어디인지를 표준화된 좌표상에서 확인하기 위해서는 각 개인의 이미지를 표준화된 공간상으로 옮겨야 하는 과정이 필요하다. 따라서 각각의 이미지를 템플렛 이미지에 맞추어 주는 Spatial Normalisation 과정을 거친다.

이후에 Smoothing 과정을 거친 이미지를 이용하여 통계 분석을 하게 된다. 자극 제시 시간과 지속 시간을 입력하여 주고 통계 분석을 한 후에 활성화 패턴 결과를 확인한다

 

AFNI & SUMA (http://afni.nimh.nih.gov/afni/)

AFNI 는 이미지를 분석하는 또 다른 통계 프로그램으로 기본적인 방식이나 과정은 SPM과 유사하다.

개인 데이터를 분석하는 과정의 한 예 살펴보면 우선 image realignment, smoothing, mask image 생성, non-brain 제거 등의 과정을 거친다.

이후에 통계 분석을 거치고 결과 이미지를 확인하고, 원하는 좌표의 그래프를 그려볼 수 있다.

뇌는 3차원적인 구조물이므로 보다 정확한 mapping을 위해서 SUMA 라는 프로그램을 이용하여 Surface 에 올려서 볼 수도 있다.

 

3. 강박 장애 연구

강박장애는 강박 사고와 강박 행동을 특징으로 한다. 강박 사고란 자신이 원하지 않으나 반복적으로 계속되는 불쾌한 생각을 말하며, 이로 인한 불안을 해소하기 위한 강박행동을 동반하는 경우가 많다. 강박 장애를 가지는 사람들이 전두엽-기저핵 부위의 이상이 있다는 보고가 뇌영상 연구를 통해 이루어지고 있다.

유사한 맥락에서 본 연구실에서는 주의를 전환하는 과제를 통해 이상이 있는 뇌의 영역을 밝혀내고자 하는 연구가 진행되고 있다. 강박장애에서의 주의 전환 문제점은 인지 검사를 통해 주로 보고되는 문제점 중의 하나이다. 주의를 전환하는 과제를 MRI 기계 안에 들어가 수행하게 되며, 얻어진 fMRI 이미지를 분석하여 주의 전환 과제에서 다르게 활성화되는 뇌의 영역을 알아본다.

강박장애를 가진 사람들은 대조군과 비교하여 전두엽, 시상 그리고 미상핵에서의 활성화 정도에 차이를 보이고 이러한 차이는 전두엽-기저핵 회로의 문제를 의미하는 것으로 보인다.