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뇌과학적 독심술 (neuroimaging and brain reading)

9월 12 업데이트됨



생각을 읽는다는 것은 매우 매력적인 소재이다. 뇌라는, 도저히 파악할 수 없는 미지의 존재에 다다르는 법이기 때문이다. 그렇기 때문에 독심술은 다양한 창작물에서 자주 등장하는 초능력이며, 많은 사람이 갖고자 하는 심리학적 기술이기도 하다. 그러나 생물학 또한 ‘뇌를 읽는’ 방법을 찾기 위해 계속 연구를 지속해왔다. 해당 분야는 초기에 뉴로라디오학이라는 이름을 갖고 있었다. 이는 신경계를 탐구하는 좁은 방법이자, 방사선사의 연구분야라고 여겨졌지만, 시간이 지나며 해당 학문은 크게 발전했고 이제 많은 분야의 전문가들이 이 기술을 위해 뛰어들고 있다. 본 글에선 뇌를 읽는 기술이 무엇이 있는지, 그 다양한 기술을 살펴보도록 하자.


CT (Computed Tomography)

CT란 최초의 비침습적인 뇌 단층 촬영 기술으로서 신경과학계에 혁명을 불렀다. 이는 뇌 뿐만 아니라 다양한 장기기관에 대해 시행될 수 있으며, 해부학적인 신체의 구조 혹은 기관의 이상 등을 확인할 수 있다. 환자가 튜브 형태의 CT 촬영 기계내부로 들어가게 되면 X선을 방출하는데, 이때 X선은 신체의 한 단면에 대해 360도를 회전하며 이때 특정 단면에 대한 X선의 흡수도 차이를 이용해 단면의 구조를 조사하게 된다. 이후 각 부위별 X선이 흡수된 정보를 컴퓨터의 데이터 프로세싱을 통해 확인하게 되고, 이 영상을 재구성하면 뇌 구조를 확인할 수 있다. 이때 조영제를 정맥혈관에 주사하게 되는데, 해당 성분이 온 몸의 혈관에 퍼져 회색질과 백잭질 등의 구조, 종양 등의 비정상적인 신체 이상 등을 확인할 수 있도록 해준다. 뇌의 경우 혈관의 구조를 통해 뇌의 구조를 확인할 수 있기 때문에 조영제를 사용하지만, 이외 경우에는 조영제가 필요하지 않은 검사 또한 존재한다.


CT의 경우 일반적인 X선 촬영에 비해 수십에서 수백 배에 이르는 방사능 피폭이 발생하게 된다. 이가 검사자의 암 발병률을 급격히 늘리는 것은 아니나, 의학계에서는 피폭량을 줄이고자 노력하고 있다. CT의 개발로 인해 해당 정보를 통해 이미지를 구성하는 등의 기술이 발달했고, 이는 추후 소개하게 될 많은 기술의 개발을 가속화했다.


MRI (magnetic resonance imaging)

CT와 유사하게 뇌의 구조를 살펴볼 수 있는 촬영기법으로는 MRI가 존재한다. MRI는 방사선을 사용하지 않아 피폭의 우려가 없다는 장점이 존재한다. 즉, CT의 단점을 극복할 수 있는 기술이다. 동시에 환자가 누워있는 자세를 그대로 유지한 상태에서도 다양한 방향의 단면 이미지를 확인할 수 있다는 장점 또한 있다.


MRI는 뇌의 사진을 찍기 위해 강력한 자기장을 이용한다. MRI 촬영 기계가 강력한 자기장을 방출할 경우 우리 몸속의 수소가 이에 반응하게 되는데, 이 신호를 컴퓨터를 통해 모을 경우 신체의 구조를 확인할 수 있다. 또한 이론적으로 물이나 수소를 함유한 모든 생물과 사물이라면 MRI 사진을 찍는 것이 가능하며, 실제로 다양한 과일에 대해 MRI촬영을 진행한 사진을 쉽게 찾아볼 수 있다.


fMRI (functional MRI)

지금까지 살펴본 기술들은 전부 ‘뇌의 구조’를 확인하기 위한 촬영 기술이다. 그러나 뇌과학 연구를 위해서는 그보다 더 자주 살펴보게 되는 것이 있는데, 그것이 바로 뇌의 활성이다. 뇌 촬영 기술의 발달에 따라 뇌의 활성을 살펴보는 연구도 지속적으로 진행되고 있는데, 그 중 하나가 fMRI이다. 전자기장을 이용한다는 부분에서 fMRI는 기존의 MRI와 동일한 원리이다. 차이는 헤모글로빈에서 온다. 헤모글로빈이란 순환계에서 산소와 이산화탄소를 운반하여 산소교환에 기여하는 단백질인데, 이때 산소가 풍부한 환경에서 산소와 결합한 헤모글로빈과 산소와 결합하지 못한 헤모글로빈은 MRI를 통해 확인해보았을 때 서로 다른 신호가 관측된다. 이는 곧 산소가 풍부한 뇌의 지역을 확인할 수 있으며, 이를 통해 활성화 되어있는 뇌의 영역을 간접적으로 확인할 수 있다. 이외에도 PET, EEG 등으로 뇌의 활성을 볼 수 있다.


최신 연구 분야

이렇게 뇌의 사진을 찍는 이상으로, 우리 뇌가 실제로 하고 있는 생각을 읽는 기술 또한 나타나고 있다. 간단히 대표적인 연구를 소개하고 글을 끝마치려 한다.

- 대뇌의 시각 정보를 담당하는 부분의 반응 패턴을 분석해 해당 사람들이 실제로 봤을 사진 혹은 영상을 복구하는 연구가 진행되고 있다.


- 말을 하는 과정에서 대뇌가 내리는 명령의 신호를 AI를 통해 합성하여 실제 문장을 합성하는 연구가 이뤄졌으며, 신체의 마비로 인해 말을 하지 못하는 환자들에게 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.


- 완전감금증후군(의식은 존재하나 근육을 사용할 수 없어 의사소통에 장애가 발생하는 증상)을 겪는 환자들의 뇌파를 분석하며 ‘예’ 혹은 ‘아니오’정도의 의사를 확인할 수 있는 기술이 연구되었다.


참고자료

[1] https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/neuroimaging

[2] https://cfmriweb.ucsd.edu/Research/whatisfmri.html

[3] https://www.kbsi.re.kr/pro0302/promotion2/article_list/id/11

[4] http://www.samsunghospital.com

[5] https://www.gereports.kr/principle-of-mri-magnetic-resonance-imaging/

[6] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=26703

[7] https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2019/05/09/2019050900117.html

[8] http://m.hani.co.kr/arti/science/science_general/903566.html#cb


첨부 이미지 출처

[1] pixabay

[2] msd 매뉴얼 – 컴퓨터 단층촬영(CT)

[3] 두산백과 – 자기공명영상법

[4] [IF] 사람이 생각하면 기계가 그대로 말해준다


첨부 동영상 링크

[1] https://youtu.be/O6Rau-vpokY

[2] https://youtu.be/P_ZD9epgwfU

[3] https://youtu.be/nsjDnYxJ0bo


KOSMOS BIOLOGY 지식더하기

작성자 | 정예진

발행호 | 2020년 여름호

키워드 | #뇌과학 #뉴로이미징 #MRI #CT #fMRI



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