생각의 흐름을 볼 수 있는 초고속 뇌 신경활동 영상기술 세계 최초 개발

- 퇴행성 뇌질환에서의 인지 손상이나 정신질환에 있어 객관적이고 정량적인 평가 가능

글로벌바이오메디컬공학과 박장연 교수 연구팀은 수 밀리 초의 초고시간해상도로 생체 내 뇌 신경활동을 직접 영상화할 수 있는 차세대 뇌기능 영상기술을 세계 최초로 개발하였다.

제안된 초고속 뇌 신경활동 영상기술의 주된 검증은 전기 생리학 연구 그룹인 고려대학교 곽지현 교수(현재 서울대학교 뇌인지과학과) 연구팀과의 협업으로 이루어졌다.

비침습적 뇌기능 영상(혹은 신경영상) 기법들은 생체 내 뇌기능이 어떻게 이루어지는지를 규명하는 데 큰 역할을 하고 있다. 하지만 현재 가장 널리 사용되고 있는 비침습적 뇌기능 영상들인 뇌전도(EEG)와 뇌자도(MEG), 그리고 기능적 자기공명영상(fMRI) 등은 시간 및 공간해상도 측면에서 뚜렷한 장단점들을 가지고 있어 생체 내 뇌 연구에 중요한 한계로 작용하고 있다. 예를 들어, EEG와 MEG는 높은 시간해상도(~밀리초)에도 불구하고 낮은 공간해상도(~센티미터)를 제공하고, fMRI는 높은 공간해상도(~밀리미터)에도 불구하고 낮은 시간해상도(~초)와 혈류 기반의 간접적인 신경활동 정보만을 제공한다.

박장연 교수 연구팀에서는 신경활동전위 변화시간에 버금가는 수 밀리 초의 시간해상도를 가지는 자기공명영상을 구현할 경우 직접적인 신경활동의 측정 및 영상화가 가능할 것이라 예상하였고, 영상 데이터를 쪼개어 얻는 방법을 이용해 밀리 초의 초고시간해상도를 가진 자기공명영상을 구현하였다. 연구팀은 이를 이용해 높은 시공간해상도로 신경활동을 직접적으로 영상화함과 동시에, 뇌 신경망에서의 신경활동이 전달되는 과정 또한 영상화하였다. 또한 이러한 직접적 신경활동영상의 새로운 신호 기전에 대해서도 중요한 가설을 제안하였다.

연구팀은 9.4T 동물용 MRI 장비에서 살아있는 마우스의 뇌를 이용해 개발한 초고속 뇌 신경활동 영상기술을 검증하였다. 마우스 수염 부위에 주기적인 전기 자극을 가하면서 시상(thalamus)과 일차 체성감각피질(primary somatosensory cortex, S1)을 포함하는, 0.22 밀리미터의 공간해상도와 5 밀리 초의 시간해상도를 가지는 신경활동의 시간열(time series) 영상을 획득하여 20-25 밀리 초에서 S1에서의 신경활동 반응을 확인하였다. 이와 더불어 S1에서의 신경활동 반응 전에 10-15 밀리 초 사이에서 나타나는 시상에서의 신경활동 반응 또한 확인하였고, 이를 통해 시상을 거쳐 S1에 이르는 시상-피질 신경전달경로 상에서 시간에 따른 신경전달이 어떻게 이루어지는 지를 영상화하였다. 또한 이러한 초고속 신경활동 영상의 새로운 신호 기전으로 신경활동 시 발생하는 세포막변위의 변화에 따른 T2 이완화 시간(relaxation time)의 변화를 제시하였다.

연구팀이 제안한 높은 시간 및 공간해상도를 가진 생체 내 초고속 뇌 신경활동 영상기술은 수 밀리 초의 초시간해상도로 생체 내 뇌 신경활동을 영상화함으로써, 신경활동의 직접적인 영상화와 함께 뇌 신경망에서 신경활동 신호의 전달이 어떻게 이루어지는지를 보여줄 수 있는 차세대 뇌기능 영상기법이라고 말할 수 있다. 이러한 차세대 뇌기능 영상기법을 통해 다양한 인지과정에서 뇌 기능이 실제로 어떻게 이루어지고 있는지를 반영하고 표상할 수 있는 실제에 가까운 다이내믹한 뇌 신경망 모델이 구현이 가능할 수 있을 것이며, 임상적인 측면에서는 퇴행성 뇌질환에서의 인지 손상이나 정신질환에 있어서 객관적이고 정량적인 평가를 가능하게 함으로써 현대 의학의 추세인 개인별 정밀 진단에 크게 기여할 수 있으리라 기대한다.

박장연 교수는 “본 연구는 뇌기능 영상 분야의 오랜 숙원이었던 높은 시간 및 공간해상도를 동시에 가진, 생체 내 뇌 신경활동 영상을 구현했다는 점에서 매우 큰 의미가 있다”며 “특히 초고시간해상도로 뇌 신경망에서 신경활동의 활성화 및 전달과정을 영상화할 수 있다는 것은 뇌 신경망에서 인지 과정에 따른 정보의 흐름 즉 생각의 흐름을 볼 수 있다는 것을 의미하며, 이를 통해 뇌 기능의 위계적인 연결 구조를 규명함으로써 ‘생각하는 뇌’에 대한 실질적으로 깊이 있는 이해를 가능하게 할 수 있을 것”이라고 말했다. 덧붙여 “인간에게도 적용 가능하다는 것이 검증되면 뇌 과학 분야에 ‘Game Changer’ 가 될 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

이 연구 성과는 2022년 10월 14일 국제학술지 ‘Science’저널 (IF: 47.728) 에 Research Article로 게재되었으며, 주목할 만한 논문에 대해 실리는 논평 기사인 Perspectives와 함께 실렸다. 또한 논문 게재와 함께 Nature news에서도 논문에 대한 기사를 다루었으며, The Scientist(영국)와 STAT news (미국)에서도 논문에 대한 기사를 실었다.

※ 논문제목: “In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporo-spatial resolution”

※ Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4340

[연구그림 1] 높은 시공간해상도의 DIANA 기술은 시상-피질 경로에서의 신경신호 전달을 영상화할 수 있음.

A. 왼쪽: 시상(초록색)과 S1BF(자주색) 영역이 표시된 마우스 뇌의 지도. 오른쪽: DIANA 실험 모식도. B. 비교를 위해 DIANA 실험과 동일한 전기 자극으로 얻은 BOLD-fMRI 결과 (뇌 활성화 맵). C. 5 밀리 초 시간해상도의 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열(time series) (대표 5마리 마우스 데이터). D. 시상과 S1BF 영역에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. E. 시상과 S!BF에서 DIANA 피크 신호가 나타나는 시간 (각 영역에서의 신경활동 활성화 시간)들의 평균을 나타내는 막대그래프. F. 위: DIANA 실험과 동일한 자극을 가진 전기 생리학 실험 모식도. 아래: 형광 염료를 이용해 시상과 S1BF 에서의 전극(electrode) 위치 확인. G - H. 시상(G)과 S1BF(H)에서 뉴런 스파이크들의 multi-unit activity (MUA) 분석과 single units 분석. I. 시상(위)과 S1BF(아래)에서 자극 후 시간에 따른 single units의 히스토그램과 DIANA 신호 변화(시상: 초록색 실선, S1BF: 자주색 실선)의 비교. J. 시상과 S1BF에서 single units 들의 피크 발화 율(firing rates)이 나타나는 시간들을 나타내는 막대그래프.      

[연구그림 2] 피질 층에서의 DIANA 활성화 맵은 기능적으로 뚜렷한 피질 층 관련 미세회로들을 보여줄 수 있음.

A. 왼쪽: DIANA 실험 모식도. 오른쪽: 시상 내부 핵들(VPMd, VPMv, POM), S1BF과 S2의 피질 층들(L2/3, L4, L5, L6)이 표시된 마우스 뇌의 지도. B. 왼쪽: DIANA 실험과 동일한 자극을 가진 전기 생리학 실험 모식도. 오른쪽: 형광 염료를 이용해 시상 핵들과 S1BF 피질 층들에서의 전극 위치 확인. C. 왼쪽: 시상 핵들에서의 5 밀리 초 시간해상도 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열. 가운데: 시상 핵들에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. 오른쪽: 각 시상 핵에서의 피크 DIANA 신호들의 평균. D. 왼쪽: 시상 핵들에서의 single units spike 발화 율의 히트맵(heatmap) 시간열. 가운데: 시상 핵들에서의 시간에 따른 spike 발화 율 변화. 오른쪽: 각 시상 핵에서의 피크 spike 발화 율의 평균. E. 왼쪽: S1BF 피질 층들에서의 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열. 가운데: S1BF 피질 층들에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. 오른쪽: 각 피질 층에서의 피크 DIANA 신호들의 평균. F. 왼쪽: S1BF 피질 층들에서의 single units spike 발화 율의 히트맵 시간열. 가운데: S1BF 피질 층들에서의 시간에 따른 spike 발화 율 변화. 오른쪽: S1BF 각 피질 층에서의 피크 spike 발화 율의 평균. G. 왼쪽: S2 피질 층들에서의 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열. 가운데: S2 피질 층들에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. 오른쪽: S1 각 피질 층에서의 피크 DIANA 신호들의 평균. H. 왼쪽: S2 피질 층들에서의 single units spike 발화 율의 히트맵 시간열. 가운데: S2 피질 층들에서의 시간에 따른 spike 발화 율 변화. 오른쪽: S2 각 피질 층에서의 피크 spike 발화율의 평균.